Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОДНОРАЗОВОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН ГОРОХА PISUM SATIVUM L.

Изобретение относится к области сельского хозяйства. Предложен состав, стимулирующий рост растений и развитие, а также способствующий повышению содержания фотосинтетических пигментов в зеленой массе гороха (Pisum sativum L.), включающий предпосевную обработку семенного материала эмульсией электрохимически стабилизированным католитом совместно с диспергированной суспензией наночастиц.

Лабораторные и полевые испытания показали высокую эффективность применения влияния суспензий наночастиц оксида кремния SiO₂ концентрацией от 10^-3 до 10^-4 мг/л.

На современном этапе развития сельского хозяйства увеличение продуктивности культурных растений и повышения устойчивости к неблагоприятным факторам внешней среды связывают с интенсивностью процесса фотосинтеза и содержанием фотосинтетических пигментов [1].

Многолетними прикладными исследованиями накоплен большой опыт по изучению влияния наноразмерных материалов на витальные, морфометрические и биохимические свойства растений [2-5]. Отмечено положительное влияние предпосевной обработки семян различных культур на содержание фотосинтетических пигментов, биомассу и урожайность сельскохозяйственных культур [6-9].

Известно использование растворов наночастиц для предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур. Способ осуществляют обработкой семян рабочим раствором диспергированной суспензией наночастиц. Суспензия содержит наночастицы диоксида кремния с недостатком кислорода, а сам способ обеспечивает повышение содержания фотосинтетических пигментов и нестероидных фитоэстрагенов в овсе и люцерне и их устойчивость к фитопатогенам [10].

К недостаткам данного метода относят пятикратную обработку семян с последующей сушкой, что значительно повышает затраты на предпосевную обработку семян. Смачивание водой запускает процесс набухания оболочек семян, ускоряя их прорастание. А последнее вызывает необходимость незамедлительного посева с большой вероятностью последующего повреждения проростков при механизированном способе заделки семян растений. Отсутствие официального поставщика наночастиц диоксида кремния с недостатком кислорода размером 5-9 нм не является принципиальным недостатком известного способа, но в значительной степени усложняет его внедрение в широкую практику растениеводства.

Известен способ повышения качества посевного материала с использованием препарата на основе кремний-органического соединения 1-хлорметилсилатран, а именно «Мивал-Агро» произведенный в компании http://agrosil.ru/, который способствует повышению качества посевного материала [11].

Однако следует отметить, что способ-прототип отличается необходимостью многократной обработки семян перед посевом и растения на стадии выхода в трубку, что увеличивает трудоемкость процесса обработки и стоимость такого способа повышения качества посевного материала.

Задачей предлагаемого технического решения является разработка способа улучшения посевных качеств и содержания фотосинтетических пигментов в зеленой массе гороха (Pisum sativum L.) и устойчивости к факторам внешней среды.

Предлагаемое изобретение расширяет ассортимент эффективных биологически активных веществ для обработки семян перед посадкой сельскохозяйственных растений.

Технический результат от решения поставленной задачи заключается в повышении всхожести, биомассы зеленого гороха (Pisum sativum L.) и увеличении питательной ценности зеленых кормов за счет повышения содержания фотосинтетических пигментов.

Задачей предлагаемого технического решения является разработка способа повышения всхожести, содержания фотосинтетических пигментов в зеленой массе и устойчивости к факторам внешней среды.

Способ разрабатывался на базе Федерального научного центра биологических систем и агротехнологий Российской Академии Наук, Оренбург. При проведении эксперимента использовали наночастицы оксида кремния SiO₂ размером 25-30 нм произведенные компанией PLASMOTERM (Россия, Москва, улица Тарутинская, д. 1). Представляет собой рентгеноаморфный порошок, химический и фазовый состав - SiO₂: 99,8%; Сl₂:<0,2%, метод получения плазмохимический, удельная поверхность S_уд=140-180 м²/г.

Проведенный нами анализ результатов научных исследований [12,13, 14, 15] по вопросам предпосевной обработке семян позволил сформулировать направление в разработке предлагаемого способа обработки семян гороха, сущность которого заключается в воздействии «электрохимической активации» (ЭХА) на систему тканей и крахмалистобелковую массу, которая в свою очередь изменила биоэлектрический потенциал семян.

Используя достижения нанотехнологии применения наночастиц (НЧ) при обработке семенного материала совместно в смеси с католитом, как допинг преодоления негативных воздействий [16], представляется возможность значительно повысить их энергию прорастания и всхожесть [17, 18].

Известно, что недостаток кремния сдерживает рост и развитие растений. Выводы ведущих мировых ученых выдвигают свойства кремния на первое место [19]. При улучшении кремниевого питания повышается эффективность фотосинтеза и активность корневой системы растений [20].

Аналогом влияния ЭХА католита является электростимуляция семян путем обработки их аэроионами отрицательной полярности, представленных в исследованиях А.Л. Чижевского [21].

Для решения задачи повышения эффективности применения представляемого способа нами совмещено влияние наноразмерного оксида кремния и ЭХА католита с вакуумной обработкой.

Анализ доступных источников информации не выявил применения наночастиц оксида кремния SiO₂ в смеси с католитом при обработке в вакуумной среде, как способ биостимуляции прорастания гороха. При этом задачей являлось и установление оптимальной дозировки применения НЧ SiO₂ в растворе католита при обработке семян. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует патентоспособности «новизна».

Целью изобретения является повышение энергии прорастания и всхожести семян Pisum sativum. Поставленная цель достигается тем, что согласно предлагаемому способу семена гороха обрабатываются в вакуумной среде при давлении 650-680 мм.рт.ст. в эмульсии ЭХА католита с рН 8,6-9,2 и редокс-потенциалом Eh=-400…-450 мВ, стабилизированного аминокислотой глицин в концентрации не менее 0,01 мас. % совместно с НЧ оксида кремния SiO₂ размером 25-30 нм при концентрации их в эмульсии 10^-3-10^-5 мг/л при перемешивании в установке с вращающимся барабаном с частотой 10 об/мин в течение 15-30 минут. Для приготовления суспензии берут точные навески наночастиц оксида кремния, помещают в стеклянные колбы со стабилизированным ЭХА католитом, интенсивно диспергируют ультразвуком с частотой 35 кГц в течение 15 мин. Предварительные лабораторные исследования показали, что наибольшей биологической активностью обладает растворы оксида кремния концентрацией 10^-2-10^-5 мг/л.

Для проведения исследований использовали семена Pisum sativum сорта «Флагман 12», которые были предоставлены ФГБНУ «Самарский НИИСХ», поселок Безенчук, Самарская область, Россия, http://samniish.ru/. Семена соответствуют всем требованиям методических указаний «Порядок биологической оценки влияния наноматериалов на растения с использованием морфологических признаков», соответствуют 1-му классу, не обрабатывались дезинфицирующими средствами, что подтверждается документами качества.

Семена гороха перед посевом однократно замачивали в дистиллированной воде (контроль) и в растворах с разной концентрацией действующего вещества в течение 15-30 минут из расчета 1 л раствора католита на 1 кг семян.

Для каждой концентрации и агента были использованы пластиковые светонепроницаемые контейнеры длиной 15 см, шириной 12 см и высотой 10 см, наполненные 2 кг почвы (чернозем южный карбонатный среднегумусный среднемощный тяжелосуглинистый). В почву добавляли стабилизированный католит и перемешивали электрической мешалкой до образования густой кашеобразной массы с влажностью 40-45%. Субстраты оставляли на 1 сутки. Контейнеры с почвой после посева 20 семян гороха помещали в климатическую камеру Pol-eko KK 1200 ТОР+ (Pol-Eko-Aparatura, Польша) и выдерживали весь период эксперимента при относительной влажности воздуха 30%, при t воздуха 25±2°С, и при t° субстрата 23±2°С. На протяжении эксперимента поддерживалась влажность почвы не менее 40%. Повторность опыта 3-5 кратная.

Через интервалы в 15, 25 и 35 дней был произведен отбор и анализ растительных образцов на всхожесть, морфометрические параметры и содержание фотосинтетических пигментов. Экстракцию пигментов осуществляли с использованием этанола и ацетона, а расчет их содержания проводили по методике Н.Д. Смашевского, (2011 г.) [22]. Содержание хлорофилла и каротиноидов определяли на вес сырой зеленой массы. Результаты исследования приведены в табл. 1, 2 и 3.

Анализ табл. 1 показал, что всхожесть семян, обработанных коллоидными катодными растворами наночастиц оксида кремния различной концентрации, достоверно возрастает по сравнению с контролем и с вариантом обработки семян раствором Мивал-Агро, достигая максимального значения в варианте предпосевной обработки семян гороха наночастицами НЧ SiO₂ в концентрации мг/л.

Длина и сырая масса растений, обработанных растворами наночастиц SiO₂ (концентрацией 10^-4 мг/л) на всех этапах эксперимента достоверно превышает вариант контроля и результаты, полученные при использовании «Мивал-Агро» (табл. 2).

Результаты изучения содержания в зеленой массе фотосинтетических пигментов демонстрируют увеличение концентрации пигментов в зеленой массе гороха в вариантах обработки семян растворами наночастиц SiO₂, в диапазоне концентраций от 10^-3 до 10^-4 мг/л (табл. 3).

Таким образом, при предпосевной однократной обработке семян гороха Pisum sativum L. эмульсией ЭХА стабилизированного католита с рН 8,6-9,2 и редокс-потенциалом Eh=-400…-450 мВ совместно с наночастицами оксида кремния SiO₂ размером 25-30 нм при концентрации их в эмульсии 10^-3 до 10^-4 мг/л в вакуумной среде при давлении 650-680 мм рт.ст. на установке с вращающимся барабаном с частотой 10 об/мин в течение 15-30 мин, при этом посевные качества в условиях лабораторного опыта было выше в 2,5 раза по сравнению с контролем и на 44% выше по сравнению с обработкой препаратом «Мивал-Агро»; содержание фотосинтетических пигментов в зеленой массе растений были соответственно выше в 2,0 раза по сравнению с контролем и на 10% выше по сравнению с обработкой препаратом «Мивал-Агро». С целью сохранения свойств католита в течение 7-8 дней их стабилизировали аминокислотой из группы полярных незаряженных аминокислот, включающих глицин в концентрации не менее 0,01 мас. %. Результаты полевого опыта подтвердили данные лабораторного опыта на 90%.

Источники информации

1. Прядкина Г.А. Пигменты, эффективность фотосинтеза и продуктивность пшеницы // Plant Varieties Studying and Protection. 2018. №1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/pigmenty-effektivnost-fotosinteza-i-produktivnost-pshenitsy (дата обращения: 12.12.2018).

2. Mukherjee A, Sun Y, Morelius E, Tamez C, Bandyopadhyay S, Niu G, White JC, Peralta-Videa JR, Gardea-Torresdey JL. Differential Toxicity of Bare and Hybrid ZnO Nanoparticles in Green Pea (Pisum sativum L.): A Life Cycle Study. Front Plant Sci. 2016 Jan 12;6:1242. doi: 10.3389/fpls. 2015.01242.

3. Mattiello A, Filippi A, Poscic F, Musetti R, Salvatici MC, Giordano C, Vischi M, Bertolini A, Marchiol L. Evidence of Phytotoxicity and Genotoxicity in Hordeum vulgare L. Exposed to CeO2 and TiO₂ Nanoparticles //Front Plant Sci. 2015 Nov. 25;6:1043. doi: 10.3389/fpls.2015.01043.

4. Vannini C, Domingo G, Onelli E, Prinsi B, Marsoni M, Espen L, Bracale M. Morphological and proteomic responses of Eruca sativa exposed to silver nanoparticles or silver nitrate//PLoS One. 2013 Jul 18;8(7):e68752. doi: 10.1371 /journal.pone.0068752.

5. Mihaela Racuciul, Dorina-Emilia Creanga Biocompatible magnetic fluid nanoparticles internalized in vegetal tissue // Rom. Journ. Phys., Vol.54, Nos. 1-2, P. 115-124, Bucharest, 2009 115-129.

6. Rico CM, Barrios AC, Tan W, Rubenecia R, Lee SC, Varela-Ramirez A, Peralta-Videa JR, Gardea-Torresdey JL. Physiological and biochemical response of soil-grown barley (Hordeum vulgare L.) to cerium oxide nanoparticles// Environ Sci Pollut Res Int. 2015 Jul;22(14):10551-8. doi: 10.1007/sll356-015-4243-y.

7. Kole C, Kole P, Randunu K.M, Choudhary P, Podila R, Ke PC, Rao AM, Marcus R.K. Nanobiotechnology can boost crop production and quality: first evidence fromincreased plant biomass, fruit yield and phytomedicine content in bitter melon (Momordica charantia). BMC // Biotechnol. 2013 Apr 26;13:37. doi: 10.1186/1472-6750-13-37.

8. Mahakham, Wuttipong et al. "Nanopriming technology for enhancing germination and starch metabolism of aged rice seeds using phytosynthesized silver nanoparticles" Scientific reports vol. 7,1 8263. 15 Aug. 2017, doi: 10.1038/s41598-017-08669-5.

9. Panyuta, Olga et al. "The Effect of Pre-sowing Seed Treatment with Metal Nanoparticles on the Formation of the Defensive Reaction of Wheat Seedlings Infected with the Eyespot Causal Agent" Nanoscale research letters vol. 11,1 (2016): 92.

10. Патент RU №2654814, Опубликовано 22.05.2018. Бюл. №15.

11. Рекомендации о транспортировке, приминении и хранении пестицида Мивал-Агро, КРП (190 г/кг 1-хлорметилсилатран+760 г/кг ортокрезоксиуксусной кислоты триэтаноламмониевая соль). ТУ №2449-001-76550192-2005 с извещением об изменении №1 от 04.10.2016, №2 от 29.08.2017.

12. Артемьев Н.А. Проблемы энерговоздействия на рост растений. М., изд-во ВАСХНИЛ, 1936.

13. Евреинов М.Г. Применение электричества в сельском хозяйстве. ОГИ3-Сельхоз, 1948.

14. Кефели В.И. Рост растений и природные регуляторы. Физиология растений, т. 2, вып. 5, М., Наука, 1978.

15. Гунар И.И. Проблема раздражимости растений и ее значение для дальнейшего развития физиологии растений. Доклад на научной конференции Академии им. Тимирязева, 9 декабря 1952 г., М., 1953.

16. Патент RU №2234945. Опубликовано 27.08.2004. Бюл. №14.

17. Виноградова Д.Л., Малышев Р.А., Фолманис Г.Э. Экономические аспекты применения нанотехнологий в земледелии / под общ. редакцией Г.В. Павлова - М.: Исследовательский центр подготовки качества подготовки специалистов. 2005. С. 8-34.

18. Коваленко Л.В., Фолманис Г.Э. Биологически активные нанопорошки железа. М.: Наука, 2006. 124 с.

19. Ma J.F., Mitani N., Nagao S., Konishi S., Tamai K., Iwashita Т., Yano M. (2004) Characterization of Si uptake system and molecular mapping of Si transporter gene in rice. Plant Physio. Vol. 136, p. 3284-3289.

20. Wang S. Y. & Galletta G.J. (1998) Foliar application of potassium silicate induces metabolic changes in strawberry plants, Journal of Plant Nutrition, Vol.21. Iss. 1, p.157-167.

21. Чижевский А.Л. Аэроионификация в народном хозяйстве. М.: Госпланиздат, 1960. С. 531-557.

22. Смашевский Н.Д. Практикум по физиологии растений: учебное пособие. Астрахань: Астраханский государственный университет, Издательский дом «Астраханский университет», 2011. 77 с.

Примечание: * достоверно при р ≤ 0,05.

Примечание: * достоверно при р≤0,05.

Примечание: * достоверно при р<0,05.