Інтегрований вплив регуляторів росту рослин із джерелами бору на біологічні параметри цукрового буряка

 

Будь-яке вдосконалення сільськогосподарських систем, що стимулює збільшення виробництва, спрямоване на зменшення негативного впливу на навколишнє середовище та підвищення стійкості регуляторів росту рослин, таких як гіберелін, які мають фізіологічні та біологічні ефекти, подібні до рослинних гормонів, і тому широко використовуються в сільському господарстві для мінімізації небажаного росту пагонів без скорочення продуктивності рослин.

Експериментальне поле знаходилося на Експериментальній станції в м. Гіза в Єгипті, на якому вирощувалися цукрові буряки (Beta vulgaris, сорт Сара poly) із позакореневим застосуванням деяких регуляторів росту рослин (гібераліну і проліну) при трьох нормах — 0 (контроль), 100 і 200 мг л-1 та джерела бору (борна кислота та наночастинки бору (B-NPs) з 75% макроелементів від повної дози.

Основна мета дослідження — проаналізувати одне із джерел регулятора росту рослин — пролін, який безпечніший, ніж гіберелін, для максимізації біологічних параметрів цукрових буряків із метою зменшення розриву між споживанням та виробництвом цукру при наявності джерел бору.

Дані показали, що позакореневе застосування гібереліну при нормі 100 мг л-1 та 200 мг л-1 були більш ефективним без значних відмінностей для росту, продуктивності та якості рослин, можливо через підвищення ефективності використання азоту (N), особливо при недостатньо оптимальному внесенні макроелементів. Що стосується джерел бору, наночастинки бору (B-NPs) мали позитивний вплив на всі досліджувані біологічні параметри завдяки транспорту цукру, синтезу клітинної мембрани, фіксації азоту, диханню, вуглеводним метаболізмам, росту кореня, функціональним характеристикам та розвитку рослин.

За матеріалами статті на тему «Інтегрований вплив регуляторів росту рослин із джерелами бору на деякі біологічні параметри цукрового буряка» («Integrated effect of plant growth regulators with boron sources on some biological parameters of sugar beet»), Каїрський університет, Єгипет, квітень 2020 р.

Склад цукрових буряків (сировина для виробництва бурякового цукру) важливий як для фермера, так і для переробного заводу. Вміст цукру (сахарози) та нецукрів (несахарози) визначає якість буряків. Чим вищий вміст цукру та нижчий вміст нецукрів, тим краща якість сировини. Тому важливо визначити хімічну якість коренів цукрових буряків, щоб оцінити їх якість та придатність для виробництва цукру. Погодні умови мають значний вплив на урожайність та технічну якість цукрових буряків, яка є важливою для економічно ефективного виробництва цукру. В Єгипті більшість цукрових буряків вирощується незалежними фермерами, які укладають договори з переробними підприємствами. Промисловий попит на цукрові буряки зростає, що забезпечує вищу ціну, стимулюючи багатьох фермерів збільшувати виробництво солодкої культури. У 2019/2020 МР Міністерство сільського господарства АРЄ в м. Каїр збільшило посівні площі цукрових буряків до 250 тис. га, порівняно з минулорічною площею 225 тис. га замість 230 тис. га. Через скорочення площі посівів, у 2018/2019 МР виробництво цукру зменшилося на 6% — до 9,5 млн т. Внесення макроелементів є одним із найважливіших факторів, що впливають на ріст, якість та ефективність виробництва цукрових буряків, тому застосування відповідних норм азоту, фосфору та калію є одним із сприятливих факторів збільшення продуктивності та якості цукрових буряків. Належне внесення добрив можна забезпечити лише на основі родючості ґрунту, яка повинна визначати оптимальну норму азоту для забезпечення максимальної врожайності, виходу цукру та показників якості сировини.

Регулятори росту рослин — це гормони, які широко використовуються в сільському господарстві для збільшення виробництва та росту рослин. Загальновживаний клас регуляторів росту рослин включає гормони росту, такі як цитокініни та гіберелінову кислоту.

Гібереліни беруть участь у ряді клітинних процесів, які регулюють проростання насіння та ріст наземних частин рослини, включаючи індукцію цвітіння та розвиток плодів. Ефект розпилення гіберелінової кислоти (GA3) в дуже низьких концентраціях може бути корисним, оскільки її природне виникнення в рослинах у невеликих кількостях, як відомо, контролює їх розвиток. Це усталений фітогормон, використовуваний у комерційних цілях для збільшення продуктивності та якості ряду сільськогосподарських культур. Коли GA3 була додана до рослини, вона збільшила ефективність використання живильних речовин, якість та продуктивність рослин.

Пролін є найбільш широко розповсюдженим метаболітом, який накопичується в рослинах у стресових умовах. Значення цього накопичення в осмотичній регуляції рослин все ще обговорюється і змінюється від видів до видів. Накопичення таких сполук, як проліну та глюкози, може поставити під загрозу кристалізацію цукру під час промислової переробки буряків, оскільки вони призводять до утворення кольорових компонентів, які знижують якість сировини.

Бор є одним із важливих мікроелементів, необхідних для росту рослин, який відіграє значну роль у фізіологічних та біохімічних процесах рослини. Він відіграє ключову роль у вищих рослинах, сприяючи транспортуванню цукру за допомогою утворення комплексів борат-цукру. Крім того, бор має важливе значення для підтримки структурної цілісності плазматичних мембран рослинних клітин. Ця функція, ймовірно, пов'язана зі стабілізацією клітинних мембран шляхом з’єднання бору з деякими складовими мембрани.

Нанотехнології точно виявляють та доставляють необхідну кількість живильних речовин та пестицидів, збільшують готовність до біологічного застосування, що сприяє підвищенню продуктивності, забезпечуючи безпеку навколишнього середовища та підвищуючи ефективність використовуваних добрив. Нано-бор має багато переваг, таких як швидке та легке засвоєння рослинами. Він має нижчу схильність до вилуговування через ґрунт, починає діяти протягом коротшого періоду часу, покращує розчинність та дисперсію нерозчинних живильних речовин у ґрунті, зменшує фіксацію ґрунту.

Основна мета дослідження — дослідити використання регуляторів росту рослин гібереліну та проліну для підвищення продуктивності цукрових буряків та їх біологічних параметрів без небезпечного ризику для людини та навколишнього середовища за наявності джерел бору (борної кислоти та нано-бору) при контрольованому внесенні макроелементів.

Матеріали та методи

Польовий експеримент проводився на глинистому ґрунті на науково-дослідній сільськогосподарській станції Ель-Гіза, Єгипет, у якому вирощувалися цукрові буряки (Beta vulgaris, сорт Сара poly) протягом зимових сезонів 2018 та 2019 років. Поточне дослідження мало на меті визначити безпосередній позитивний вплив застосування регуляторів росту рослин гібереліну та проліну (100 та 200 мг л-1) з двома джерелами бору (борною кислотою та нано-бором, B-NPs) при рекомендованій для цукрового буряка нормі (0,48 кг B акр-1) при повній дозі та 75% від повної дози внесенних макроелементів. Рентгенограма аналізу нано-бору (B-NPs) зображена на Графіку 1.

Основні ділянки склали 75% від повної дози. Суперфосфат кальцію (15,5% P2O5) додавали при нормі 112,5 P2O5 кг акр-1 під час підготовки ґрунту. Азот вносили при нормі 56,5 кг N акр-1 у вигляді сечовини (46,5% N) у трьох рівних дозах через 21, 45 та 60 днів після посівної. Сульфат калію (50% К2О) при нормі 37,5 кг К2О акр-1 додавали у двох рівних дозах через 30 та 50 днів після посівної. Позакореневі застосування як регуляторів росту рослин, так і бору проводилися через 45 та 60 днів після посівної. Усі агротехнічні прийоми вирощування цукрових буряків виконувалися відповідно до рекомендацій.

Графік 1: Рентгенограма наночастинок B2O3 (1-45 нм)

На ділянках-повторах використовувалися регулятори росту рослин, тобто гіберелінова кислота (GA3) та пролін із трьома нормами позакореневого застосування (0, 100 та 200 мг л-1).

На ділянках-копіях ділянок-повторів застосовувалися два джерела бору шляхом позакореневого підживлення — борна кислота та нано-бор (B-NPs) у рекомендованій для цукрових буряків дозі (0,48 кг B акр-1).

Для дослідження був використаний зразок сільськогосподарського ґрунту (глибина 0-30 см). Його було висушено, подрібнено та просіяно 2 мм ситом. Загальна концентрація азоту (N) визначалася дистиляцією в системі Макро-Кьєльдаля (модель Gerhardt VAP 30 S). Загальний вміст фосфору (Р) оцінювали за допомогою колориметру з використанням суміші хлоридної рідини та вимірювали за допомогою оптичної спектроскопії (модель JENWAY 6705), тоді як концентрації К і Na вимірювалися полум'яним фотометром (модель JENWAY PFP7). Концентрації Ca+2, Mg+2, Fe, Mn, Zn, Cu і B вимірювалися за допомогою атомно-емісійної спектроскопії з індуктивно зв'язаною плазмою (модель Agilent Technologies 8800) (Таблиця 1).

Таблиця 1: Хімічні та фізичні характеристики ґрунту

Були проведені хімічні аналізи цукрових буряків для визначення вмісту пігменту хлорофілу в листі, визначення бору виконувалося за допомогою ICP (індуктивно зв'язаної плазми) спектрометрії (модель Ultima 2 JY Plasma), загальний вміст цукру в коренях визначався калориметрично методом використання пікринової кислоти, визначався бетаїн та холін, пролін досліджувався поглинанням екстракту, виміряного спектрофотометром, гіберелін визначався за допомогою газової спектроскопії, загальний вміст розчинних твердих речовин визначався за допомогою рефрактометра, також визначалися аміно-азот та чистота.

Дані були статистично проаналізовані за допомогою дисперсійного аналізу (ANOVA) для визначення статистичної значущості з використанням найменш значущої різниці на рівні 0,05.

Результати та обговорення

Мета дослідження — зменшити використання мінеральних добрив за допомогою регуляторів росту рослин (PGRs) (гібереліну або проліну), а також оцінити можливість заміни гібереліну проліном через його шкідливий вплив на клітини тварин і людини, а також через те, що PGRs, включаючи гіберелін та цитокінін, можуть викликати короткочасний токсичний ефект та тератогенну дію як у новонароджених, так і в зародкових клітинах.

Отримані дані обох сезонів суттєво не відрізнялися, враховувалося їх середнє арифметичне значення.

Вміст пігменту в цукрових буряках

Отримані дані (Таблиця 2) показали, що позакореневе застосування регуляторів росту рослин (гібереліну та проліну) збільшувало вміст пігменту, тобто хлорофілу-а, хлорофілу-b та каротиноїдів, де середні значення при нормі 100 мг л-1 гібереліну та 200 мг л-1 проліну становили 6,15 і 5,44 г 100 г-1 FW (сухої маси) — для хлорофілу-а; 3,39 і 2,99 г 100 г-1 FW — для хлорофілу-b та 0,916 і 0,887 г 100 г-1 FW — для каротиноїдів відповідно. Зовнішнє застосування гіберелінів (GAs) показало посилену активність карбоангідрази, нітратредуктази, фіксацію СО2, провідність продихів та рібулозобісфосфаткарбоксилазу/оксигеназу. Гібереліни (GAs) змінюють мембранну проникність для іонів та покращують потенціал транслокації до абсорбенту. Фізіологічні та біохімічні способи дії GAs, ймовірно, є причиною збільшення сухої біомаси пагонів рослин. Як правило, менші концентрації регуляторів росту рослин біохімічно активніші, а більші концентрації стають токсичними. Пролін, багатофункціональна амінокислота, крім того, що діє як відмінний осмоліт, також відомий у стабілізації субклітинних структур, таких як білки та клітинні мембрани, очищення вільних радикалів, врівноваження клітинного гомеостазу, сигнальних систем та буферування окислювально-відновного потенціалу в стресових умовах. Він може відображатися в підтримці живильного режиму коренів.

Дане дослідження показує підвищений вміст нітратів у коренях через зовнішнє застосування проліну, яке послабило зменшення росту рослин, спричинене стресом, через збільшення антиоксидантної системи, зменшення окислювального пошкодження, поліпшення синтезу сумісних осмолітів та прискорення накопичення проліну, що стимулювало процес фотосинтезу. Молекули хлорофілу — це мембранозв'язані структури, стійкість яких дуже залежить від цілісності мембранної структури, яка, можливо, підтримується проліном, оскільки він діє як мембранний стабілізатор.

Що стосується джерел бору, дані показали, що позакореневе застосування нано-бору на цукрових буряках викликало більшу реакцію, ніж борна кислота, де вміст хлорофілу-а, хлорофілу-b та каротиноїдів становили 3,13, 1,58 та 0,695 г 100 г-1 FW — для нано-бору та 3,06, 1,40 і 0,662 г 100 г-1 FW — для борної кислоти відповідно. Цей результат був узгоджений з даними, які показали, що застосування бору збільшує швидкість фотосинтезу, що може бути пов'язано зі збільшенням вмісту хлорофілів у листі. Крім того, застосування бору збільшувало активність каталази та глутатіонредуктази, які діють як антиоксиданти, тим самим підтримуючи механізм переносу електронів рослини від окислення вільними радикалами, такими як супероксидні та синглетні кисневмісні радикали. Також було зазначено, що позакореневе застосування нано-бору збільшує концентрації обох мікроелементів у листі, що відображає поліпшення живильного режиму рослин.

Таблиця 2: Інтегрований вплив норм регуляторів росту рослин та мінеральних добрив із різними джерелами бору на пігменти цукрових буряків

Взаємодія гібереліну з нано-бором викликає найбільшу реакцію у всіх досліджуваних параметрів, що може бути пов'язано з окисленням та активацією гіберелінів (GAs), що, здається, регулюється послідовно вмістом бору через пригнічення GA20-оксидази білком гомедомена KNOX. Більше того, швидкий перехід до біоактивної форми GAs може бути сприятливим, особливо при високому вмісті бору для запобігання надмірно швидкого росту та стабілізації розвитку рослин.

Загалом, можна відзначити, що взаємодія позакореневого застосування регуляторів росту рослин із досліджуваними джерелами бору викликає більшу реакцію, ніж тільки одні регулятори росту рослин або тільки джерела бору, і найбільш ефективною нормою було 100 мг л-1 — для гібереліну та 200 мг л-1 — для проліну з нано-бором без істотних відмінностей.

Залишковий вміст застосовуваних регуляторів росту рослин та джерел бору в цукрових буряках

Дані (Таблиця 3) показують позакореневе застосування регуляторів росту рослин (гібереліну або проліну) при нормах 100 та 200 мг кг-1 на цукрових буряках, при застосуванні гібереліну залишковий вміст збільшується. Застосування гіберелінової кислоти (GA3) значно підвищило її внутрішній вміст у рослинах. З іншого боку, застосування проліну не впливало на залишковий вміст гібереліну, порівняно з контролем. Зовнішнє застосування проліну може не тільки прискорити процес транслокації амінокислот, але й придушити процес перетворення від амінокислот до білків.

Дані також показали, що залишковий вміст проліну та бору збільшується за рахунок норм застосування гібереліну, що може бути пов'язано з тим, що гіберелінова кислота може стимулювати рослину на виробництво білка та оптимальне перетворення живильних речовин, незважаючи на недоступність вологи в рослині. Що стосується застосування проліну при нормах 100 та 200 мг кг-1, вміст проліну та бору збільшувався за рахунок збільшення концентрації проліну. Зовнішнє застосування проліну призводить до значного збільшення його накопичення в обох органах (листя та корінь) рослини.

Подальші дослідження показали, що при одночасному застосуванні такі амінокислоти, як пролін, мають хелатуючий ефект на мікроелементи, поглинання та транспортування мікроелементів всередину рослини полегшується, що обумовлено хелатуючою дією, ефектом проникності клітинної мембрани та низькою молекулярною масою.

Що стосується позакореневого застосування бору на цукрових буряках (Beta vulgaris) у вигляді борної кислоти або наночастинок бору (B-NPs), отримані дані показали, що середні значення вмісту проліну становили 2,45, 2,17, 2,62 і 2,35 мкмоль г-1 FW (свіжої маси), вміст гібереліну — 13,07, 13,02, 13,15 та 13,09 мг кг-1 та вміст бору — 49,82, 45,98, 52,45 та 49,75 мг кг-1 відповідно. Порівняно зі звичайною борною кислотою або борними добривами, які знаходяться в макромасштабі (на порядок мікрометрів) (макро борна кислота), борні нанодобрива (на порядок нанометрів) показують різке збільшення врожаю сільськогосподарських культур (збільшення біомаси та маси рослин) та якості врожаю (збільшення цукристості та вмісту крохмалю).

Нарешті, аналіз взаємодії 75% NPK (азот-фосфор-калій) від рекомендованої дози разом із позакореневим застосуванням гібереліну при нормі 100 мг л-1 та нано-бором (B-NPs) був найбільш ефективним, ніж аналогічна взаємодія з борною кислотою.

Таблиця 3: Залишковий вміст регуляторів росту рослин, що застосовуються з різними джерелами бору на цукрових буряках

Вилучення цукру та параметри якості

Позакореневе застосування регулятора росту рослин гібереліну при нормі 100 мг л-1 дає найвищі значення для сахарози, чистоти та загального вмісту розчинних твердих речовин, а зі збільшенням норми гібереліну до 200 мг л-1 усі інші параметри зменшуються (Таблиця 4). На відміну від цього, позакореневе застосування проліну викликало більшу реакцію при нормі 200 мг л-1, так як ця багатофункціональна амінокислота, крім того, що діє як відмінний осмоліт, також відома для стабілізації субклітинних структур, таких як білки та клітинні мембрани, поглинаючи вільні радикали, врівноважуючи клітинний гомеостаз, сигнальні системи та буферизуючи окислювально-відновний потенціал в стресових умовах.

Позакореневе застосування борної кислоти та B-NPs, як джерел бору, на цукрових буряках показало, що нано бор був більш ефективним, ніж борна кислота, для сахарози, чистоти, a-аміноазоту та загального вмісту розчинних твердих речовин (16,48, 16,32 і 16,69, 16,41%), (80,47, 80,25 і 80,62, 80,31%), (1,15, 1,37 і 1,32, 1,21%) і (19,4, 18,4 і 19,8, 18,7 Брікс <) відповідно (Таблиця 4). У той час як нанотехнологія збільшує ефективність застосування добрив, зменшується забруднення навколишнього середовища та ризики хімічних добрив. Також повідомляється, що нанодобрива при обприскуванні в дуже низьких концентраціях виявляють прямий ефект на рослинах за рахунок збільшення їх росту, виробництва та якості кінцевої продукції.

У кінцевому підсумку, аналіз взаємодії 75% NPK (азот-фосфор-калій) від рекомендованої дози разом із позакореневим застосуванням гібереліну при нормі 100 мг л-1 та проліну при нормі 200 мг л-1 з нано-бором був найбільш ефективним, ніж аналогічна взаємодія з борною кислотою.

Таблиця 4: Інтегрований вплив норм регуляторів росту рослин та макроелементів із різними джерелами бору на вміст цукру та якість буряків

Деякі біохімічні компоненти цукрових буряків

Позакореневе застосування гібереліну при нормі 100 мг л-1 було найбільш ефективним із подальшим застосуванням проліну 200 мг л-1, вміст бетаїну складав 0,172 та 0,171 г 100 г-1, вміст холіну — 8,40 і 7,93 мг 100 г-1 FW і загальний вміст вуглеводів — 14,8 і 14,3 г 100 г-1 (Таблиця 5). Ці результати узгоджуються з даними про те, що пролін виявився успішним агентом у покращенні характеристик росту та врожайності цукрових буряків, особливо при 100 мг л-1 та 200 мг л-1, гіберелінова кислота (GA3) збільшує концентрації хлорофілу в листі за рахунок збільшення кількості та розмірів хлоропластів та посилює ультраструктурний морфогенез пластид. Загалом, ефективність фотосинтезу збільшується разом із концентрацією хлорофілу. Таким чином, зовнішнє розпилення гіберелінової кислоти (GA3) опосередковано спричиняє збільшення хлорофілу, що призводить до збільшення сухої маси. Внутрішня концентрація гіберелінової кислоти (GA3) збільшується за рахунок підвищення концентрації гібереліну. Крім того, розпилення гіберелінової кислоти (GA3) викликає збільшення внутрішнього вмісту індоліл-3-оцтової кислоти.

Попередні дослідження показали, що зовнішнє застосування проліну пом'якшило зменшення росту рослин, викликане дією стресу, через збільшення антиоксидантної системи, зменшення окислювального пошкодження, поліпшення синтезу сумісних осмолітів та прискорення накопичення проліну, що відбилося на посиленні фотосинтезу (58,35). Крім того, основна функція зовнішнього застосування гібрелінів (GAs) у вищих рослин може бути узагальнена як стимулювання росту органів рослини за рахунок посилення подовження клітин, а в деяких випадках і їх поділу. Крім того, гібереліни (GAs) сприяють певним змінам у розвитку, наприклад, переходу від спокійного стану до проростання насіння, фази росту молодих та дорослих рослин, вегетативному та репродуктивному розвитку. Позакореневе застосування гібереліну з низькими нормами NPK (азот-фосфор-калій) значно покращило діаметр, подовження та міцність волокна, порівняно з застосуванням лише NPK та контролем.

У Таблиці 5 показано, що позакореневе застосування нано-бору дає більші результати для бетаїну, холіну та загального вмісту вуглеводів, ніж борна кислота. Деякі варіанти забезпечують високоефективні значення нано-добрив шляхом застосування наночастинок борної кислоти на рослинах. Результати узгоджуються з твердженням про те, що нанодобрива можуть або забезпечувати рослину живильними речовинами, або допомагати в транспортуванні та поглинанні наявних живильних речовин, що призводить до збільшення росту рослин. Крім того, внесення бору сприятливо впливало на параметри врожайності, синтезу та транспорту вуглеводів, збільшення вмісту сухої речовини, загальних цукрів та аскорбінової кислоти в тканинах рослин, порівняно з внесенням мінеральних добрив без додавання бору.

Таблиця 5: Інтегрований вплив норм регуляторів росту рослин та макроелементів із різними джерелами бору на біохімічний вміст

У кінцевому підсумку, взаємодія між позакореневим застосуванням гібереліну при нормі 100 мг л-1 та проліном при нормі 200 мг л-1 з нано-бором із 75% від рекомендованої дози викликають найбільшу реакцію у більшості досліджуваних параметрів цукрових буряків. Ці результати узгоджуються з твердженням про те, що регулятори росту рослин з додаванням мінеральних добрив 80% від рекомендованої дози використовуються для підтримки високої продуктивності та якості рослин, а також зменшування виробничих витрат та забруднення навколишнього середовища.

З іншого боку, крім того, що розпилення гіберелінової кислоти (GA3) збільшує якість та продуктивність цукрових буряків, гіберелін також має небажаний вплив на клітини людини, гістологічний розвиток кори нирок, тому його слід застосовувати досить обережно. Більше того, коли клітини людини піддаються різній концентрації гібереліну, збільшуються рівні активних форм кисню та рівні білка маркерів апоптозу, GA3 пригнічує активність Na+, K+, аденозинтрифосфатази та Са2+, які підтримують стабільність іона всередині та поза клітинною мембраною.

З отриманих даних можна зробити висновок, що використання регуляторів росту рослин, таких як пролін або гіберелін, зменшує необхідність використання мінеральних добрив та можливість заміни гібереліну проліном. Застосування нанотехнологій у сільському господарстві, таких як нано-бор (B-NPs), підвищує ефективність застосовуваних норм, зменшує забруднення навколишнього середовища та ризик від використання хімічних добрив, а також підвищує якість кінцевої продукції.


1859