И. И. Серегина, С. Л. Белопухов

Защитно-стимулирующая роль микроэлементов и регуляторов роста в растениеводстве

Монография

ebooks@prospekt.org

Информация о книге

УДК 631.8

ББК 40.4

С32

Авторы:
Серегина И. И., доктор биологических наук, профессор кафедры агрономической, биологической химии и радиологии РГАУ – МСХА имени К. А. Тимирязева;
Белопухов С. Л., кандидат химических наук, доктор сельскохозяйственных наук, член-корреспондент Российской инженерной академии, профессор кафедры химии, директор института агробиотехнологии РГАУ – МСХА имени К. А. Тимирязева.

Рецензенты:
Черных Н. А., доктор биологических наук, профессор, заведующая кафедрой судебной экологии с курсом экологии человека Российского университета дружбы народов (РУДН);
Зубкова В. М., доктор биологических наук, профессор кафедры техносферной безопасности и экологии Российского государственного социального университета (РГСУ).

В монографии рассматриваются аспекты защитно-стимулирующего действия микроэлементов (молибден, селен, кремний) и регуляторов роста (циркон) на продукционный процесс и реализацию адаптивной способности яровой пшеницы различных сортов в условиях окислительного стресса, вызванного засухой и загрязнением почвы тяжелыми металлами. Анализируются результаты многолетних экспериментов по изучению формирования зерновой продуктивности и фотосинтетической активности растений пшеницы в зависимости от условий выращивания. Представлены данные о действии изучаемых факторов на размеры поступления и перераспределение основных элементов питания, а также тяжелых металлов между органами растений пшеницы.

Работа предназначена для специалистов в области агрохимии, физиологии растений, токсикологии, для бакалавров, магистров, аспирантов, обучающихся по агрономическим направлениям, и преподавателей высших и средних специальных учебных заведений.

УДК 631.8

ББК 40.4

© Серегина И. И., Белопухов С. Л., 2021

© ООО «Проспект», 2021

Опыт – единственно верный путь спрашивать природу
и слышать ответ в ее лаборатории.
Д.И. Менделеев

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях сельскохозяйственного производства одной из основных проблем, препятствующих реализации высокой эффективности агрохимических средств, являются абиотические и биотические факторы, вызывающие проявление окислительного стресса у растений, среди которых наиболее часто встречающимися являются засуха и загрязнение почв тяжелыми металлами [Гудковский, 2001; Вихрева с соавт., 2009; Верниченко, 2011; Гриценко, 2012; Шумилин, 2016].

Одним из приемов снижения отрицательного влияния стрессов на формирование продуктивности является применение минеральных удобрений. Существенную роль в получении высоких урожаев сельскохозяйственных культур играет оптимизация азотного питания. Однако при улучшении питания растений азотом все большее значение отводится вопросам применения микроэлементов и регуляторов роста.

В связи с этим аспекты изучения механизмов протекторной роли микроэлементов и регуляторов роста в процессе роста и развития сельскохозяйственных растений приобретают большую актуальность и практическую значимость. Среди большого разнообразия микроэлементов и регуляторов роста в последнее время основное предпочтение исследователей отдается применению селенсодержащих соединений, обладающих антиоксидантным действием в стрессовых условиях. В то же время таким микроэлементам, как молибден и кремний, отводится недостаточное внимание. Несмотря на многочисленные исследования, защитно-стимулирующая роль молибдена, кремния, селена и регуляторов роста на примере циркона, при формировании зерновой продуктивности и фотосинтетической активности зерновых культур, а также оптимальные приемы применения и отдельные аспекты их поглощения и накопления в различных органах яровой пшеницы в условиях окислительного стресса, вызванного дефицитом влаги и загрязнением почвы тяжелыми металлами, изучены недостаточно. В данное научное издание включены все эти вопросы, изучение которых происходило в лаборатории Физиологии питания и потенциальной продуктивности растений ВНИИА имени Д. Н. Прянишникова под руководством и с участием д. б. н., профессора Ниловской Н. Т.

1. ФАКТОРЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ, ВЫЗЫВАЮЩИЕ ОКИСЛИТЕЛЬНЫЕ СТРЕССОВЫЕ РЕАКЦИИ У РАСТЕНИЙ

В современных условиях производства сельскохозяйственной продукции на растения постоянно действуют различные факторы среды, оказывающие влияние на скорость их развития и продуктивность. Стрессовыми называют факторы, вызывающие в клетках растений каскад специфических биохимических реакций, в результате которых нарушаются процессы роста и развития растений, что способствует снижению их урожайности [Балнокин, 2005; Канаш, 2008]. Под действием окислительных стрессов в растениях возникает в условиях, способствующих формированию активных форм кислорода (АФК), к которым относят анион-радикал О•₂, пероксид водорода Н₂О₂, гидроперекисный радикал НО⁻₂, гидроксил-радикал НО•, а также синглетный кислород 1О₂ и озон О₃. Повышение содержания в клетках активных форм кислорода в клетках приводит к повреждению биомолекул и может вызвать гибель растений [Вихрева с соавт., 2012, Загостина с соавт., 2016; Шумилин, 2016]. Окислительный стресс в растениях возникает в результате действия практически всех неблагоприятных факторов внешней среды, включая засуху, почвенное засоление, загрязнение воздуха токсическими соединениями, такими, например, как озон, оксиды серы и азота, тяжелые металлы, низкие и высокие температуры, свет высокой интенсивности, ультрафиолетовое излучение, недостаток элементов минерального питания, некоторые пестициды, в том числе гербициды и фунгициды, а также патогены различной природы и др. В связи с этим существенное значение приобретают механизмы работы системы антиоксидантной защиты растений, снижающие внутриклеточные концентрации АФК, а также ограничивающие процессы синтеза токсических продуктов взаимодействия АФК с биополимерами и повышающие устойчивость растений к неблагоприятным факторам среды [Суворов с соавт., 2009; Половинкина с соавт., 2010].

Окислительные формы стрессового воздействия являются основным видом абиотического стресса. Окислительный стресс, связанный с образованием больших количеств активных форм кислорода (АФК) возникает под действием абиотических факторов. Кислород при атмосферном давлении, кратковременном нагревании до 40–50 °С, наличии солнечного света и многих других факторов может способствовать необратимым изменениям белков, липидов и нуклеиновых кислот [D’Angio еt al., 2000; Fridovich, 1998; Креславский с соавт., 2012].

К активным формам кислорода относится большое количество анионов и радикалов. Из них основными являются: супероксидный анионрадикал О₂–, гидроксильный радикал ОН, пероксид водорода Н₂О₂, алкоксильный RO–, пероксильный ROO– и синглетно возбужденный молекулярный кислород 1О₂ и др. Все эти радикалы проявляют высокую реакционную способность вследствие окислительной активности, могут превращаться друг в друга и переходить из одной формы в другую. На их превращения будут влиять наличие металлов с переменной валентностью и характер процессов в среде их нахождения. Кроме того, АФК могут взаимодействовать с различными клеточными макромолекулами: ДНК, белками и т. п., что ведет к образованию большого числа окисленных продуктов [Аверьянов, 2008; Половинкина, 2010; Шумилин, 2016б].

Образующиеся в больших количествах активные формы кислорода имеют высокий окислительный потенциал и приводят к окислению веществ внутри живых организмов, нарушению функций, или разрушению клеток. Более того, показано, что одна из основных причин старения — это накопление окислительных повреждений биомолекул [Chakravarti et al, 2006; Starkov, 2006; Wiesner et al., 2006]. Установлено, что пять из шести основных видов АФК образуются в результате последовательного присоединения электронов к молекуле кислорода. Эти пять видов АФК являются короткоживущими соединениями. [Половинкина, с соавт., 2010; Шумилин, 2016б].

Гидропероксидный радикал является продуктом одноэлектронного восстановления кислорода. Восстанавливается он в протонированной форме. Частица, восстановленная в ионизированной форме, является анион-радикалом. При одноэлектронном окислении перекиси водорода образуется супероксид-радикал. Важным свойством супероксида является его долгий период жизни в водных растворах, в результате чего данная частица может «мигрировать». Гидропероксидный радикал НО• образуется в результате протонирования супероксида. Радикал НО• обладает более высокими окислительными свойствами, по сравнению с пероксидом водорода [Лукаткин, 2002; Fridovich, 1998; Полесская, 2007; Шумилин, 2016б]. Наибольшее количество супероксид-радикала образуется в результате транспорта электронов при деятельности митохондрий и хлоропластов. Так, в фотосистемах 1 и 2 супероксид является первичным продуктом восстановления кислорода [Полесская, 2007; Половинкина, с соавт., 2010; Хелдт, 2011; Шумилин, 2016б].

Генерация активных форм кислорода может протекать также и на мембране ядра. При присоединении второго электрона к супероксиду образуется пероксид водорода и гидроперекисный и перекисный анионы. В водных системах остатки супероксидного радикала при дисмутации образуют пероксид водорода и молекулярный кислород. Активность пероксида водорода связана не столько с его электронной активностью, сколько со способностью проникать через биологические мембраны, из-за того что молекула не несет в себе электрического заряда. Пероксид водорода образуется путем восстановления на оксидазах кислорода. Образующийся H₂O₂ в хлоропластах в результате фотолиза воды в фотосистеме 2 разлагается тут же каталазой. Кроме того, пероксид водорода может образовываться в хлоропластах и митохондриях при детоксикации супероксид-аниона, например, молекулами аскорбата. Образование пероксида водорода в клеточной стенке и плазмалемме связывают с деятельностью пероксидаз при защитной деятельности клетки [Полесская, 2007; Половинкина, с соавт., 2010; Хелдт, 2011; Новиков, 2012; Шумилин, 2016б].

Гидроксильный радикал является нестабильной АФК с низким периодом жизни. При этом он обладает высокой электрофильностью, что обуславливает его высокую окислительную способность. Этот радикал может образовываться в хлоропластах при окислении сульфитов до сульфатов. При передаче ему энергии без присоединения электронов (спонтанная дисмутация) может образовываться синглетный кислород (1О₂) [Лукаткин, 2002; Половинкина с соавт., 2010, Хелдт 2011; Шумилин, 2016б].

Известно, что длительное воздействие на растения комплекса неблагоприятных факторов внешней среды может вызывать избыточное накопление радикалов супероксида, перекиси водорода и других активных форм кислорода [Feucht, 1995; Scandalios, 1997; Ermler et al., 1999; Kalt et al., 2000; Болдырев с соавт., 2008].

Накопление АФК является основной причиной повреждений клеточных мембран и макромолекул вследствие действия стрессового фактора на организм [Асафова с соавт., 2009].

При накоплении АФК в клетках, в растительном организме наступает оксидативное состояние, или состояние окислительного стресса. В ходе деятельности активных форм кислорода происходит повреждение различных биополимеров, в частности нуклеиновых кислот, белков, липидов и углеводов. Такие процессы называются перекисным окислением, а совокупность их действия — окислительной модификацией молекул. При деятельности активных форм кислорода в первую очередь повреждаются клеточные мембраны за счет перекисного окисления липидов, результатом которого в клеточных стенках образуются большие количества гидроперекисей жирных кислот. Дальнейшие превращения приводят к образованию в конечном итоге спиртовых и альдегидных производных с короткой углеродной цепью. Кроме того, нарушение липидного слоя мембран приводит к повышенной проницаемости для двухвалентных катионов, катионов водорода, анионов активных форм кислорода, увеличению вязкости мембраны, заряда поверхности и снижения активности ферментов клеточной стенки. Совокупность всех окислительных реакций, одновременно с повышением продуктов перекисного окисления липидов приводит к нарушениям целостности и физических свойств мембран [Половинкина с соавт., 2010; Загостина с соавт., 2016; Шумилин, 2016б]. Показано, что в малых концентрациях пероксид водорода индуцирует синтез более 30 белков [Storz et al., 1999; Шумилин, 2016б].

Немаловажным фактором, вызывающим проявления окислительного стресса у растений, является воздействие ультрафиолетовой радиации. С энергией фотонов красного и синего света солнца на землю попадают и УФ-лучи. При отсутствии внешних повреждений от прямого воздействия УФ-лучей, а также симптомов дисфункции или угнетения возможно повреждение отдельных органелл растения, в частности фотосинтетического аппарата, а также изменение структуры белков и ферментов, в результате чего может не только снижаться продуктивность, но и ухудшаться качество продукции [Тян с соавт., 2007; Тойама с соавт., 2009; Шумилин, 2016б].

В условиях почвенной засухи в растениях происходит ряд процессов, способствующих накоплению метаболитов окислительного стресса из-за снижения обводненности растений и активности некоторых ферментов. Следует отметить, что проявление почвенной засухи обычно связано с повышенной солнечной активностью, в результате чего увеличивается количество солнечного излучения, попадающего на поверхность растения и принимающего светособирающего комплекса фотосинтетического аппарата. В растениях существуют механизмы, позволяющие снизить количество поглощаемого света, например «отход» фотосинтетических аппаратов к обратной стороне клеточной стенки внутри клетки. Однако полностью прекратить поступление солнечного света растение не в состоянии. При этом в растительной клетке происходит постоянное принятие фотонов с помощью светособирающего комплекса и передача их на реакционные центры фотосистем. Фотон, перешедший на реакционный центр фотосистемы, в дальнейшем именуется экситоном. По умолчанию фотон движется к фотосистеме, у которой хромофор требует меньше энергии для возбуждения. Обычно это фотосистема 1. Если же активность фотосистемы 2 выше, то один из светособирающих комплексов фотосистемы 2 может переходить к фотосистему 1, повышая количество экситонов на ней [Белов с соавт., 2008; Хелдт, 2011, Алиев с соавт., 2016; Шумилин, 2016б; Кондратьев с соавт., 2018].

Основной функцией ФС 1 является образование восстановителя H⁺. Функцией фотосистемы 2 является образование окислителя О₂°–. При ступенчатом окислении воды в фотосистеме 2 происходит в том числе и образование молекул АФК. При этом если пул ферредоксина в фотосистеме 1 в передаче электрона на НАДФ⁺ перевосстановлен, электрон передается на кислород с образованием АФК. Супероксидисмутаза катализирует кислород с образованием перекисей и гидроперекисей. Все эти реакции являются основной причиной образования АФК в растениях в результате высокой активности солнечного света при снижении содержания влаги в почве и, как следствие, в растении. Основной ответной реакцией растения в этом случае являются процессы снижения активности фотолиза воды для предотвращения ее избыточных потерь и снижения интенсивности транспирации [Тоайма с соавт., Хелдт, 2011; Шумилин, 2016б, Антал, 2018].

В современном мире стрессам подвергаются как растения, сельскохозяйственные и дикие животные, так и человек. Уровень стрессовых реакций повышается с развитием уровня и распространения антропогенных факторов, таких как химизация и интенсификация сельского хозяйства, транспорт и различные отрасли промышленности и народного хозяйства. Развитие промышленности достигается путем увеличения мощностей производства и применения современных технологий, что приводит к повышению концентрации токсических выбросов и распространению токсикантов на большие расстояния, негативно воздействуя на окружающую живую природу [Балнокин, 2005; Чурсина, 2012, Шумилин, 2016].

В настоящее время существует несколько классификаций факторов, вызывающих стрессовое воздействие на растения, можно выделить две основные. По одной из самых распространенных классификаций факторы, вызывающие стрессовые реакции растений, подразделяют на 2 группы: биотические и абиотические.

Среди абиотических стрессов отмечают кислотность почв, воздействие тяжелых металлов, засухи, затопления, гипоксия, воздействие ультрафиолетовой радиации и высоких, либо низких, температур и др. К биотическим факторам относят воздействие микроорганизмов, бактерий, вирусов. В сельскохозяйственном производстве достаточно высокая конкурентная борьба видов (сорная растительность, болезни и т. п.), что вынуждает человека применять различные химические мелиоранты, средства защиты растений, увеличивая при этом стрессовую нагрузку антропогенного характера [Серегина, 1999; Балнокин с соавт., 1989; 2005; Шакирова, 2001; Лукаткин, 2002; Мазей, 2008, Асафова, 2009; Чурсина, 2012; Шумилин, 2016б].

Существует и другая классификация, за основу которой взята природа проявления воздействия. В этом случае факторы, вызывающие стресс в растительном организме, подразделяются на 3 группы: физические (недостаточное или избыточное увлажнение, температура, механическое воздействие и т. п.), химические (засоленность почв, промышленные отходы, газы, мелиоранты) и биологические (возбудители болезней, вредители и т. п.) [Аверьянов, 2008; Половинкина с соавт., 2010, ГОСТ Р 56257-2014; Шумилин, 2016б].

Следует учитывать, что в условиях живой природы на растительный организм в большинстве случаев воздействие факторов носит комплексный характер. Например, воздействие ультрафиолетовой радиации, вызывающей окислительные реакции, проявляется одновременно со стрессами, вызванными засухой, высокой температурой и засоленностью почв [Чудинова с соавт., 2006; Канаш с соавт., 2008; Хелдт, 2011]. Устойчивость растительного организма к стрессу будет напрямую связана с возможностью противодействия растения окислительному стрессу, вызванному различными факторами с одновременным воздействием ультрафиолетового света [Канаш с соавт., 2008]. Причем воздействие факторов тесно связано между собой, так как наличие какого-то одного может косвенно приводить к повышению риска второго, и наоборот. При этом эффект от различных стрессовых факторов может носить как синергический, так и аддитивный характер [Канаш с соавт., 2008; Чурсина, 2012; ГОСТ Р 56257-2014; Шумилин, 2016б].

Воздействие стрессовых факторов на живой организм, как правило, носит неоднозначное действие [Урманцев с соавт., 1986]. Повреждающий эффект проявляется в результате разрушения целостности клеточных мембран, нарушения процессов фотосинтеза, дыхания клетки, фосфорилирования и прочих процессов, связанных с жизнедеятельностью клетки. Следствием является частичная или полная потеря работоспособности клетки либо ее гибель. Разнообразные по природе стрессы могут вызывать в растительном организме нарушение процессов трансляции, что в свою очередь приводит к нарушению синтеза белка [Chakravarti et al., 2006]. Раздражающий эффект вызывает в клетке комплекс ответных мер, вызывающих предотвращение негативного эффекта при проявлении самого стресса [Генкель, 1982; Шумилин, 2016б]. Физиологические и непродолжительные стрессы могут запускать процессы активации метаболизма растений, что приводит к запуску адаптационных механизмов растения и может повышать сопротивляемость к другим возможным стрессовым факторам [Franco et al., 1999; Ishikawa et al., 1995; Нилова с соавт., 2017].

1.1. Дефицит влаги в почве

При производстве сельскохозяйственной продукции наиболее часто встречаемым фактором, ограничивающим получение высоких урожаев, является засуха. Дефицит влаги в почве в течение вегетационного периода — одна из основных причин снижения урожайности и ухудшения качества продукции сельскохозяйственных культур во всем мире. Наряду с активными изменениями климата в сторону повышения среднегодовых температур из-за увеличения накопления в атмосфере парниковых газов количество осадков уменьшается в вегетационный период, что приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур. Наиболее заметными в мире были засухи 1972, 2000, 2003, 2009, 2010 гг., в результате которых экономики разных стран понесли большие финансовые и экономические потери, испытывая кроме того дефицит продовольственного звена [Черенкова, 2009, Половинкина с соавт., 2010; Телегин с соавт., 2013; Максютов с соавт., 2016; Клочков с соавт., 2019].

В Российской Федерации более половины обрабатываемых территорий находятся в зонах недостаточного и неустойчивого увлажнения. Наиболее сильная за последние годы засуха затронула нашу страну в 2010 г., когда за вегетационный период выпало менее 25% нормы осадков при резком повышении среднесуточной температуры воздуха по сравнению со среднемноголетними показателями, что привело к дефициту влаги и потерям урожая более чем 1/3 всех засеваемых сельскохозяйственных площадей [Клещенко, 2000; Фролов, 2011; Шумилин, 2016б].

Нечерноземная зона характеризуется сравнительно неустойчивыми условиями увлажнения, что в отдельные годы не позволяет получать высокие урожаи сельскохозяйственных культур. Обусловлено это водно-физическими свойствами большинства почв данной территории (особенно легких), малой глубиной пахотного и корнеобитаемого слоя. Для центральных районов европейской части России относительная повторяемость засух различных периодов составляет в среднем 30%. Засухи, характеризующиеся различной интенсивностью и продолжительностью, наблюдаются в различных регионах Нечерноземья. Последствием наступления засух является, как правило, снижение урожая, которое в Нечерноземной зоне России достигает 25–30% каждый третий год; до 50% — каждый восьмой год из десяти. Наиболее частыми являются так называемые кратковременные засухи, которые совпадают с критическим по уровню увлажнения периодом роста зерновых культур. Особенно подвержена засухам разной продолжительности юго-восточная часть зоны, где вероятность наступления засух составляет 20–30% (из 10 лет 2–3 года засушливых) [Николаев, 1992; Ивойлов, 1995; Ниловская с соавт., 2009а; Белолюбцев с соавт., 2013].

Засухой называют период (длительный или кратковременный) без дождей с повышенной температурой воздуха. Засуха может сопровождаться уменьшением влажности воздуха, что ведет на фоне высоких температур к увеличению транспирации, обезвоживанию и перегреву организма растений и последующей его гибели [Генкель, 1982]. Различают 3 типа засухи: почвенная, атмосферная и почвенно-атмосферная засуха [Генкель, 1982; Серегина с соавт., 2002; Серегина, 2008; Ниловская с соавт., 2009а; Черенкова, 2009].

Атмосферная засуха характеризуется низкой влажностью воздуха, которая, наряду с насыщенной влагой почвой, приводит к явлению эвакотранспирации, при котором уменьшение влажности воздуха ведет как к увеличению транспирации, так и к увеличению испаряемой влаги из почвы. Почвенная засуха приводит к критически низким показателям запаса воды в почве, почвенной влажности. Кроме того, недостаток влаги в почве ведет к снижению поглощающей способности корней, замедляя их развитие [Серегина с соавт., 2002; Ниловская с соавт., 2009а; Верниченко, 2015; Серегина, 2018; Liang et al., 1996 и многие др.].

Практически все растения чувствительны к недостатку влаги в течение всего вегетационного периода, как в периоды роста и развития определенного органа, так и при перераспределении элементов питания в растении. Однако в процессе вегетации растительного организма имеются периоды наиболее острой реакции на недостаток влаги у растения. Такие периоды называются критическими. В результате недостатка влаги в критические периоды в растительном организме происходят необратимые последствия [Генкель, 1982; Серегина, 1999, 2000, 2008; Осипова, 2000; Ниловская с соавт., 2001, 2009а; Пермякова с соавт., 2009; Воробейников с соавт., 2015].

Вопросам, посвященным изучению действию засухи на свойства почвы, рост и продуктивность растений и жизнедеятельность микроорганизмов, посвящено огромное число работ, большинство из которых было проведено с зерновыми культурами [Осипова, 2000; Серегина с соавт., 2002; Верниченко, 2002; Телевка, 2013; Яковлев, 2014; Надежкина, 2016; Шумилин, 2016б; Серегина, 2018 и многие др.]. Известно, что у злаковых культур критическими являются периоды от фазы выхода в трубку до колошения, а также фаза цветения. При этом в критический период обычно наиболее активно идет рост и формирование хозяйственно ценных частей растения [Таланов с соавт., 2008; Воскресенская, 2009; Шумилин, 2016б; Iba, 2002].

Помимо критического периода, когда оптимальное количество влаги обеспечивает получение высоких урожаев, важным условием для произрастания культуры в засушливых районах является достаточное количество воды в период всходов семян. По данным различных опытов, всхожесть семян яровой пшеницы при недостаточном водообеспечении снижалась на 55–65%, а период появления всходов был увеличен почти на 10 дней [Cерегина, 2000; Серегина, 2001; Кобцева, 2012].

Недостаток почвенной влаги ведет к переходу элементов питания из доступной в недоступную для растений форму. На фоне уменьшения поглощающей способности корней почти в 2 раза уменьшается степень поступления элементов питания в растение [Garg, 2003; Lindhauer et al., 2007]. Кроме того, повышенная температура и засушливые условия в период созревания зерна ведут к раннему прекращению оттока веществ из листьев, что приводит к щуплости и ухудшению технологических качеств зерна [Новиков, 2010].

Как недостаточное, так и избыточное увлажнение почвы неблагоприятно сказываются на протекании целого ряда физиолого-биохимических процессов в растении [Семенова, 2006; Полесская, 2007; Хайрулина с соавт., 2009; Хайрулина с соавт., 2010]. На клеточном уровне обезвоживание ведет к повышению содержания перекиси водорода в клетке, в результате чего активизируются окислительные реакции, которые приводят к ее гибели [Тян с соавт., 2007].

Водный дефицит приводит к нарушению многих фотосинтетических функций растений посредством модификации основных компонентов фотосинтетического аппарата, разрушения хлорофилл-белковых комплексов и нарушению линейного транспорта электронов, что приводит, в том числе к снижению объемов фотолиза воды и распределению накопленных ССК экситонов внутри зеленых пигментов растений и образованию АФК [Хелдт, 2011; Рустамов, 2014; Серегина с соавт., 2015; Шумилин, 2016б; Тютерева с соавт, 2017]. При этом уменьшение обеспеченности растений влагой приводит к тому, что площадь фотосинтетической поверхности листьев и состав фотосинтетического аппарата обычно ухудшаются прямо пропорционально друг другу, что говорит о том, что все факторы находятся в прямой зависимости [Earl et al., 2003; Коломейченко с соавт., 2008; Мыхлык с соавт., 2015].

Торможение процессов фотосинтеза связано также с преждевременным старением листа в результате образования высоких количеств АФК [Wahid, 2009]. Большинство растений адаптируется к засухе благодаря изменениям в составе фотосинтетических мембран, которые оптимизируют ее проводимость [Navari-izzo et al., 2000]. Наиболее чувствительными из фотосинтетических реакций к действию разных стрессоров считают процесс выделения кислорода, функционирование и гетерогенность фотосистемы 2 (ФС 2) [Пшибытко, 2003; Шумилин, 2016б]. Стрессовые реакции приводят к изменению размера светособирающей антенны ФС 2, при этом происходит модификация донорной и акцепторной систем, степени фосфорилированности белков комплекса ФС 2 [Flexas et al., 2006; Антал, 2018].

Почвенная засуха часто совпадает с повышенной солнечной активностью, в результате чего накапливаемые экситоны светособирающих комплексов при недостатке молекул воды в реакционных центрах фотосистем способствуют образованию активных форм кислорода — гидроперекисей и супероксид-радикалов, которые не могут в полной мере редуцироваться посредством ферментов и в результате повреждают сам фотосинтетический аппарат [Хелдт, 2011; Ветошкина, 2016; Шумилин, 2016б].

1.2. Загрязнение почвы тяжелыми металлами

В мире одной из основных задач современного сельскохозяйственного производства является получение экологически чистой и безопасной продукции. Известно, что загрязнение почв тяжелыми металлами в результате антропогенного воздействия приводит к повышению их содержания в составе растительной продукции, которая является источником питания человека и животных. Основными источниками антропогенного поступления тяжелых металлов являются: сбрасывание сточных вод, сжигание жидкого, твердого топлива, промышленное производство, деятельность плавильных заводов, внесение в почву средств химизации. Токсические вещества, выбрасываемые в атмосферу и гидросферу, в результате попадают в почву, которая, являясь природным накопителем тяжелых металлов в окружающей среде, служит основным источником загрязнения сопредельных сред. В связи с этим аспекты изучения механизмов уменьшения токсического воздействия на растения тяжелых металлов и снижения накопления в растениеводческой продукции токсических элементов имеют большую актуальность и практическую значимость [Черных, 2003; Титов, 2007; Коротченко, 2010; Кошкин с соавт., 2010; Чурсина, 2012; Телевка, 2013; Шумилин, 2016б].

Источниками загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами могут являться выбросы крупных заводов тяжелой промышленности, крупных сельскохозяйственных предприятий, автомагистрали и автодороги с высоким трафиком, а также сброс стоков, повсеместный выброс мусора, рост площадей под организованные свалки без технологий переработки и утилизации мусора, нерациональное использование химических мелиорантов, больших количеств удобрений. Негативные последствия загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами представляют реальную угрозу для биосферы. Из-за недооценки этого фактора в агроландшафтных системах различных регионов. Возникает необходимость проведения агротехнических и агрохимических мероприятий, уменьшающих их подвижность и снижение уровней поступления в растения. В настоящее время такие исследования выполняют все федеральные государственные учреждения, центры и станции агрохимической службы Минсельхоза России. Объем обследованных пахотных земель на содержание тяжелых металлов по отношению к их общей площади на 1 января 2000 г. в целом по России составляет: по свинцу — 60,2%; по кадмию — 47,5%; по цинку — 56,9% [Ульяненко с соавт., 2012; Карпухина с соавт., 2012; Чурсина, 2012].

Многолетними исследованиями выявлено чуть более десятка элементов, признанных приоритетными загрязнителями биосферы по степени токсичности, распространенности, способности накапливаться в пищевых цепях. Среди них — Hg, Pb, Cd, As, Cu, V, Zn, Mo, Co, Ni, Sn, Sb. По данным многих авторов, наиболее опасными являются три элемента: ртуть, свинец и кадмий, которые подлежат первоочередному контролю. Почвы, территории которых по содержанию тяжелых металлов c концентрациями выше предельно (ориентировочно) допустимых, подразделяются на зоны неудовлетворительной, чрезвычайной и катастрофической экологической ситуации. На почвах с неудовлетворительной эколого-токсикологической ситуацией всю продукцию необходимо каждый год контролировать по содержанию тяжелых металлов. Почвы в зонах чрезвычайной и катастрофической экологической ситуации пригодны для возделывания только технических культур по специальной технологии [Водяницкий, 2012; Чурсина, 2012].

Основным критерием санитарно-гигиенической оценки экологической безопасности почв химическими веществами является показатель предельно допустимой концентрации (ПДК). Однако необходимо учитывать, что для оценки уровня загрязнения почв имеются различные показатели. Было установлено, что имеющиеся градации ПДК тяжелых металлов в почвах не учитывают буферные свойства почв, структуру, гранулометрический состав, кислотно-основные свойства, состояние экосистем, степень воздействия его на другие компоненты экосистемы [Черных с соавт., 1999; Матвеев с соавт., 2001; Соколов с соавт., 2001; Черников с соавт., 2004: Левшаков, 2011]. Поэтому ПДК не может быть однозначной оценкой качества продукции, но его можно использовать для предварительной оценки. В настоящее время используется ряд санитарно-гигиенических нормативов, в том числе ориентировочно допустимые концентрации (ОДК). В связи с этим в 1995 г. Госкомэпиднадзором выпущено Дополнение № 1 к перечню ПДК № 6229-91 (Гигиенические нормативы ГН 2.1.7.2042–06) «Ориентировочно допустимые концентрации тяжелых металлов и мышьяка в почвах» с учетом гранулометрического состава и кислотности. Например, для песчаных и супесчаных почв ОДК валового содержания цинка, свинца и кадмия установлены в пределах фонового варьирования и составляют соответственно 55; 32; 0,5 мг/кг, суглинистых и глинистых почв при pH KCl < 5,5–110; 64; 1,0; и для суглинистых и глинистых при pH KCl > 5,5–220; 96; 2,0 [Матвеев с соавт., 2001; Соколов с соавт., 2001, 2008; Пименова, 2009].

Содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвенном растворе — наиболее важная экологическая характеристика почвы, поскольку определяет миграцию тяжелых металлов по профилю и уровни поглощения их растениями. На подвижность токсических элементов в почвах оказывают существенное влияние изменение влажности почв, активность микробиоты, кислотно-основные и окислительно-восстановительные условия, содержание хелатообразующих соединений, гранулометрический состав, количество органического вещества. Наибольшее влияние оказывают кислотно-основные условия, которые обусловливают формы нахождения соединений элементов, а также знак и величина заряда частиц в растворе. Величина сорбции ионов тяжелых металлов определяется значением рН почвенного раствора. При уменьшении рН увеличивается растворимость соединений большинства элементов, в том числе Pb, Cd, Cu, Zn, Ni, Mn, Fe, Co, а следовательно, и их подвижность в системе твердая фаза — раствор [Cavallaro, et al., 1980; Pelzer, 1987; Роева с соавт., 2002; Аржанова с соавт., 2006; Водяницкий, 2012].

На миграционные процессы тяжелых металлов влияет состояние органического вещества в почве. Низкомолекулярные фракции являются основным комплексообразующим компонентом для цинка, кадмия и марганца, в то время как свинец и медь наиболее активно связываются высокомолекулярными фракциями органического вещества [Аржанова с соавт., 1990]. Выявлено, что связывание тяжелых металлов в почве происходит за счет образования солей гуминовых кислот. Комплексы меди, свинца и кадмия с гуминовыми кислотами стабильны при рН 5, цинка и никеля при рН 7 [Ульяненко с соавт., 2001; Пляскина с соавт., 2005; Галактионов с соавт., 2007; Чурсина, 2012]. Распределение кадмия в почве определяется ее генезисом, типом материнской породы и физико-химическими процессами. Для дерново-подзолистых почв характерно накопление кадмия в гумусовом и иллювиальном горизонтах [Черных, 2000 ; Черных с соавт., 2000].

Исследования, проведенные в условиях вегетационных, микрополевых и полевых опытов, показали, что на кислых почвах накопление тяжелых металлов в растениях идет более интенсивно, чем на почвах с нейтральной или близкой к нейтральной реакцией среды. Доступность кадмия и цинка для растений выше на кислых почвах, чем на нейтральных. Так, сельскохозяйственные культуры, возделываемые на загрязненной дерново-подзолистой слабоокультуренной почве, содержали значительно больше цинка, свинца и кадмия, чем на окультуренной дерново-подзолистой почве и черноземе с тем же уровнем загрязнения [Зырин, 1979; Kwiecien, et al., 2002; Черных с соавт., 2003; Losak, et al., 2004; Соколова с соавт., 2006; Волкова, 2007; Паладич, 2007; Чурсина, 2012].

Максимальную фитотоксичность цинк, свинец и кадмий проявляют на дерново-подзолистой слабоокультуренной почве. Токсичное действие тяжелых металлов на различные сельскохозяйственные культуры уменьшается при повышении уровня плодородия загрязненных почв [Черных, 2001; Черных с соавт., 2003; Соколова с соавт., 2006].

По данным агроэкологического обследования почв Российской Федерации, в 2002 г. в ряде субъектов не наблюдалось превышения ОДК тяжелых металлов в почве и атмосфере. К таким областям можно отнести Республику Калмыкия, Татарстан, Северную Осетию — Аланию, Хабаровский край, Ивановскую, Тверскую, Костромскую, Ярославскую, Владимирскую, Томскую, Тюменскую области. К территориям нашей страны, где имеются почвы с превышенным содержанием кадмия, относятся: Оренбургская область (4,2%), Республика Коми (5,6%), Мурманская область (3,0%), Брянская область (1,8%), Кемеровская область (2,0%). Около 56,3% всех земель относятся к землям с чрезвычайной экологической ситуацией по загрязнению кадмием [Агроэкологическая характеристика, 2002].

Растения в зависимости от биологических особенностей по-разному способны накапливать тяжелые металлы и прочие токсиканты. По степени накопления ТМ все растения разделяют на 3 группы: аккумуляторы, индикаторы, исключители [Clemens, 2006; Verbruggen et al., 2009].

К аккумуляторам относят растения, которые накапливают тяжелые металлы в надземной части в больших количествах. Индикаторы не накапливают высоких концентраций тяжелых металлов, однако содержание в их надземных частях тяжелых металлов коррелирует с содержанием токсикантов в почве, на которой они произрастают. Исключители обычно не накапливают тяжелые металлы в надземных частях растений, однако содержание ТМ в их корнях может достигать высоких значений [Серегин с соавт., 2001; Шумилин, 2016б].

На процессы поступления и накопления тяжелых металлов влияет ряд прямых и косвенных факторов. Наибольшее действие оказывают химический и гранулометрический состав почвы, степень гумусированности почвы, ее рН [Титов с соавт., 2002, 2007]. Накопление кадмия напрямую зависит от показателей кислотности почвы. В кислых почвах кадмий для растений более доступен при общем равном валовом содержании токсиканта в почве. При этом в почвах с нейтральной и близкой к нейтральной реакциями среды кадмий накапливается в значительной степени, но является в большинстве своем недоступным для растений [Глазовская, 1997; Просянникова с соавт., 2010; Слабко с соавт., 2016].

По номенклатуре ЮНЭП кадмий является одним из основных загрязнителей почвы и стоит в одном ряду с мышьяком. ГОСТ 17.4.1.02-83 относит кадмий к тяжелым металлам с высокой степенью опасности наряду с мышьяком, ртутью, свинцом и цинком. Скорость поступления кадмия в растительный организм превышает аналогичный показатель свинца, марганца и ртути [Алексеев, 1987; Водяницкий, 2012; Шумилин, 2016б].

Токсичность кадмия в почве напрямую связана с его основной валентностью (II), которая определяет его сродство по химическим свойствам с прочими двухвалентными катионами, в том числе с цинком. Кадмий благодаря близости по химическим свойствам может выступать в роли цинка во многих биохимических процессах, подавляя активность ряда ферментов (карбоангидразы, фосфатазы, дегидрогеназы), связанных с дыханием и другими физиологическими процессами. Кроме того, кадмий подавляет активность протеиназ и пептидаз, участвующих в белковом обмене. Замещение цинка на кадмий в растениях приводит к цинковой недостаточности и, как следствие, к их угнетению и гибели. Кадмий легко проникает в растения, накапливается как в корнях, так и надземных частях растений в больших количествах. Включаясь в состав растений, кадмий не участвует в процессах питания и метаболизма клетки высших и низших растений. При накоплении он инактивирует деятельность ряда ферментов, в том числе ферментов гликолиза [Мазей, 2008; Сибиркина, 2012; Kolesnichenko et al., 2011; Водяницкий, 2012]. Высокие концентрации ионов кадмия в почве приводят к снижению уровня поглощения кислорода корнями растений, транспорта электронов и протонов в митохондриях [Ahmad et al., 2009; Farouk et al., 2011; Шумилин, 2016б].

Наибольшая часть кадмия в зерновых культурах сосредоточена в корнях, наименьшая — в зерне. Повышенное содержание элемента в растениях сопровождается покраснением и хлорозом листьев. ПДК кадмия в растениях составляет 0,1 мг/кг для зерна [СанПиН 2.3.2.1078-01 и 0,3 мг/кг для соломы [МДУ 123-4/281-8-87]. Допустимые уровни содержания для цинка в продуктах питания составляют: зерновые — 25,0, зернобобовые — 50,0, хлеб — 25,0, мука — 50,0, орехи — 100,0 мг/кг, сочные и грубые корма — 50,0 мг/кг в соломе. ПДК свинца для продуктов питания: хлеб, зерно — 0,2 мг/кг; мясные продукты и овощи — 0,5 мг/кг; фрукты, соки — 0,4 мг/кг; рыбные продукты — 1,0 мг/кг; молочные продукты — 0,05 мг/кг [МДУ 123-4/281-8, 1987; СанПиН № 5061-89; Глазовская, 1976; Алексеев, 1987; Большаков с соавт., 1991].

Известно, что одним из основных проявлений токсического действия свинца и кадмия на растения является нарушение процессов фотосинтеза, в том числе снижение уровня фотосинтетических пигментов [Караваев с соавт., 2000; Серегин с соавт., 2001; Титов, 2007; Батова с соавт., 2013]. Некоторые авторы отмечают торможение процессов синтеза и накопления пигментов в листьях растений, угнетение интенсивности фотосинтеза, фотодыхания. В данном случае негативный эффект объясняется возможностью конкурирования катионов кадмия и магния в составе зеленых пигментов растений, что приводит к нарушению их метаболизма [Косицына с соавт., 2010; Baryla et al., 2001; Mysliwa-Kurdziel et al., 2004].

Снижение интенсивности процессов фотосинтеза на фоне увеличенного содержания кадмия в почве происходит в результате нарушений в ходе реакций цикла Кальвина с инактивацией основного фермента темновой фазы — рибулозобифосфаткарбоксилазы. При этом наблюдается также изменение синтеза глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы за счет изменения четвертичной структуры белка [Monnet et al., 2001; Мазей, 2008].

В ряде работ показано, что в небольших дозах кадмий может стимулировать повышение содержания хлорофиллов [Stribirоva et al., 1986], а также уменьшать интенсивность перекисного окисления липидов [Башмаков с соавт., 2002; Rong-Liang, 2008].

Однако повышенные концентрации кадмия вызывают снижение содержания хлорофиллов а и б [Аль Аруд с соавт., 2011], тормозятся процессы поступления в растения кальция и фосфора вследствие ингибирования синтеза магний-порфирина. По отношению к этим элементам для кадмия характерны взаимодействия внешнего характера, которые проявляются в антагонистических отношениях ионов тяжелых металлов с ионами кальция и образовании труднорастворимых соединений с фосфат-ионом на первых этапах поступления их в корневую систему, что приводит к дефициту фосфора и кальция [Черных, 1991; Соколов, Черников, 1999; Astolfi et al., 2004; Масленников, 2010]. Токсичность кадмия проявляется в подавлении активности фосфатазы, каталазы, оксидазы и рибонуклеазы. Кадмий взаимодействует с клеточными мембранами, снижая их проницаемость и вызывая разрыв клеточных мембран [Черников в соавт., 2004; Чернышук с соавт., 2019].

Установлено, что при загрязнении почвы тяжелыми металлами, в том числе кадмием, в растениях происходят существенные изменения в азотном, фосфорном и углеводном обменах. Под действием высоких концентраций кадмия происходит снижение содержания растворимых сахаров, сырого жира и клетчатки в растениях клевера [Бабкин с соавт., 1995; Евдокимова с соавт., 2001], а также отмечается изменение активности ферментов почвы [Новоселова с соавт., 2014]. По данным Егоровой [2008], при концентрации кадмия 6 мг/кг почвы происходило повышение содержания общего азота в зерне на фоне резкого снижения белкового азота и снижения суммы водорастворимых сахаров в 3,6 раза.

Кадмий влияет на образование и рост клеток чехлика корня, изменяет как процессы деления клеток в меристеме, так и процессы роста клеток растяжения. Торможение роста корней в присутствии кадмия обусловлено торможением перехода клеток к растяжению и снижением скорости растяжения [Литинская, 1999; Соколов в соавт., 1999; Евсеева, 2006; Ramaskeviciene, 2006].

При поступлении высоких концентраций кадмия в листьях люцерны и кукурузы подавляется фотосинтетическая активность мезофильных клеток (на 10–30%), а это, в свою очередь, вызывает снижение продуктивности растений. В этих же условиях в мезофильных листьях картофеля подавляется только гетеротрофная компонента энергообеспечения. Снижение продуктивности картофеля происходит, по-видимому, вследствие нарушения транспортной функции листьев и стеблей, митохондрии которых частично или полностью парализуются, что ведет к угнетению роста и развития растений [Методические указания, 1992].

Было установлено, что некоторые тяжелые металлы, такие как свинец и кадмий, вызывают в растительном организме перекисное окисление липидов и могут являться кофакторами образования активных форм кислорода, запуская перекисные процессы в растительной клетке. Как следствие, в растительном организме происходят нарушения структуры ДНК, пигментов и других клеточных компонентов. Это позволяет сделать вывод, что основным механизмом отрицательного действия тяжелых металлов является способность их вызывать окислительный стресс в растениях [Лукаткин, 2002, 2013; Надежкина, 2016; Singh, 2009; Pourrut, 2013]. В условиях окислительного стресса, вызванного воздействием тяжелых металлов, в растениях происходит синтез металлсвязывающих белков с использованием глутатиона [Половинкина с соавт., 2010]. Обнаружено, что в ответ на кадмиевый стресс растения разных видов вырабатывают специфические защитные соединения: пшеница — трицин, горох — серосодержащие вещества, ярутка — вещества как фенольной, так и сульфидной природы, что обусловливает различную их устойчивость к тяжелым металлам. Показано, что в растениях комплексообразование с серосодержащими лигандами выполняет функцию фиксации тяжелых металлов, а с полифенольными соединениями — функцию транспортировки тяжелых металлов по растительным тканям [Дубцова, 2004; Чурсина, 2012].

По данным некоторых авторов, проявление токсического действия ионов кадмия на растения сходно с водным дефицитом. Было выявлено изменение водного режима растений, в результате чего снижается влагоудерживающая способность листьев, нарушается транспирация, что приводит к некрозам [Fusconi et al., 2006; Yannarelli et al., 2007; DalCorso et al., 2008]. При дозах кадмия около 400 мг/кг наблюдалось уменьшение диаметров трубок флоэм и сосудов ксилем, что приводило к обезвоживанию растений. При этом наблюдалось закрытие устьиц [Pietrini et al., 2003; Poschenrieder et al., 1999].

Замедление физиолого-биохимических процессов в растительном организме отмечается при накоплении кадмия в больших количествах [Шумилин, 2016 б]. По данным Черных с соавт. [1999], при концентрации кадмия 50 мг/кг почвы степень накопления биомассы растениями клевера понижалась в 10 раз, растениями ячменя — в 15 раз. В опытах Казниной [2006] при содержании кадмия в пределах 800 мг/кг почвы наблюдалось полное прекращение ростовых процессов в самом начале развития растительного организма. Загрязнение почвы кадмием вызывает повышение содержания в растениях нитратов на фоне снижения активности нитратредуктазы. При загрязнении почвы 50 мг кадмия на 1 кг почвы снижалась продуктивность зерновых на 20%, а при повышении содержания кадмия до 100 мг/кг почвы получаемое зерно было щуплым [Черных с соавт., 2003; Серегина с соавт., 2010; Чурсина, 2012; Шумилин с соавт., 2016; Шеуджен с соавт., 2019].

Одним из основных аспектов негативного воздействия кадмия является накопление этого элемента в хозяйственно ценных частях растений. По уровню содержания кадмия в сухой массе растения, выращиваемые на высоких концентрациях тяжелых металлов в почве, обычно непригодны для питания человека и сельскохозяйственных животных [Кожевникова, 2011].

Для человека и животных отрицательное действие кадмия связано с тем, что он практически не выводится из растительных и животных организмов, в связи с чем повышается его опасность для здоровья человека [Коротченко с соавт., 2010; Ульяненко с соавт., 2012]. В соответствии с гигиеническими нормами (ГН 2.1.7.2041-06) ОДК по содержанию подвижного кадмия в почве колеблется от 2 мг/кг на нейтральных почвах с тяжелым гранулометрическим составом до 0,5 мг/кг почвы на кислых песчаных и супесчаных почвах. Предельно допустимое содержание его подвижных форм составляет 1,0 мг/кг почвы [Романькова с соавт., 2011]. При этом содержание подвижных форм кадмия для дерново-подзолистых почв обычно составляет около 37% от общего его содержания в почве [Черных, 2000]. Фоновое содержание кадмия в сельскохозяйственной продукции для разных культур не одинаково и колеблется для зерновых в пределах 0,1–0,75% сухой массы [Григорьева, 2005; Соколов, 2008].

Любой элемент в зависимости от концентрации может положительно или отрицательно влиять на здоровье человека. Следовательно, микроэлементы и тяжелые металлы — понятия, относящиеся к одним и тем же элементам, но используемые в разных количественных значениях, характеризующих их концентрацию в удобрениях, почве, в продукции растениеводства и животноводства. Термин «тяжелый металл» (ТМ) принято использовать в тех случаях, когда речь идет об опасных уровнях концентрации элементов с атомной массой более 40. По степени опасности химические элементы подразделяются на три класса (ГОСТ 17.4.1.02–83) [Серегина, 2008; Серегина, 2017].

В этом отношении цинк находится на особом положении, поскольку эффективность его действия в значительной степени зависит от его содержания в почве. Положительное влияние на растения цинка как микроэлемента проявляется при его концентрации в почве около 140 мг/кг. В растениях цинк становится токсичным при его концентрации более 400 мг/кг сухой массы. При выращивании растений в зоне загрязнения, содержание цинка достигает 554 мг/кг в листьях, 355 мг/кг — в початках и 146 мг/кг — в зерне кукурузы; 757 — в листьях и 128 мг/кг — в клубнях картофеля. Уровни нормального содержания цинка в растении колеблются от 60 до 120–220 мг/кг сухого вещества. В то же время токсичным уровнем содержания цинка в почве является для овса — 435–725, для клевера — 210–290, для свеклы — 240–275 мг/кг [Реуцэ с соавт., 1986; Белоусова, 2013].

При высоких концентрациях цинка происходит снижение количества хлорофилла. Поэтому распределение цинка в органах растений связывают с хлорофиллом. Содержание цинка в частях растений, бедных хлорофиллом (стебли), находится в пределах 7–27 мг/кг, в частях, богатых хлорофиллом (листья), — 40–95 мг/кг сухого вещества [Алексеенко с соавт., 1992]. Неравномерность распределения цинка в различных органах одного и того же вида растения сохраняется при увеличении его содержания в почве. Содержание цинка в корнях чубушника более чем в 3 раза превышает его количество в однолетних побегах и ветвях [Скрипниченко с соавт., 1988].

Цинк снижает поступление железа у клевера, салата, ячменя. Под действием цинка снижается содержание фосфора, кальция, магния в растениях, при этом цинк тормозит процессы синтеза фосфорорганических соединений клетки. Показано, что основные функции цинка в растениях связаны с метаболизмом углеводов, протеинов и фосфатов, а также с образованием ауксина, ДНК и рибосом. Под действием цинка происходит изменение мембран, что приводит к нарушению ближнего и дальнего транспорта [Wallace, 1979; Benckiser, 1984; Paivoke et al., 2003; Челтыгмашева, 2006; Златова 2006; Поддубная, 2007; Чурсина, 2012].

Тяжелые металлы, в том числе цинк и кадмий, при поступлении в растения способны оказывать влияние на многие физиолого-биохимические процессы, связанные с защитными функциями растений против возбудителей болезней. Избыток тяжелых металлов приводит к физиологической депрессии и потере естественной устойчивости. В результате в тканях растения создается благоприятная среда для развития возбудителя [Соколов с соавт., 1999; Филлипас, 2001; Кузнецов, 2006].

В опытах с томатами в гидропонной культуре изучено влияние высоких концентраций цинка на поступление и накопление его в растениях. Растения, выращенные на субстратах с капельной подачей питательного раствора, имели различное содержание Zn и Pb в вегетативных и генеративных органах томата. Было выявлено наибольшее количество поглощенного цинка в пасоке растений. Достоверные данные о содержании цинка в томате отмечаются только в листьях. Высокий уровень содержания Pb был обнаружен в корнях томата и в вегетативных частях растений. В плодах томата накапливалось меньше свинца по сравнению с цинком [Зялалов, 2002; Ильин, 2004, 2007; Чурсина, 2012].

Исследования, проведенные с развивающимся и стареющим колеоптилями этиолированных проростков пшеницы показали, что содержание цинка непрерывно увеличивалось от базальной к апикальной части. Это изменение происходило в период заметной фрагментации ДНК и подъема протеолитической активности [Смирнов с соавт., 2011].

По чувствительности к токсическому действию тяжелых металлов у растений имеются видовые различия. Установлено, что из зерновых культур наиболее устойчивы к избытку тяжелых металлов в среде рис посевной, ячмень; из технических — кукуруза, свекла; из зернобобовых — горох, соя. Чувствительными к данному фактору являются овес, пшеница, подсолнечник, мак, фасоль [Чурсина, 2012].

Как известно, нарушение важнейших физиолого-биохимических процессов под действием тяжелых металлов приводит к изменению основных показателей качества растениеводческой продукции. В работе Н. Ю. Гармаш [2006] установлено увеличение содержания белка под действием высоких концентраций Zn, Pb и Сd.

Фитотоксичность цинка отмечается довольно часто, особенно на кислых малоплодородных почвах. Выявлено, что реакция почвенной среды влияет на подвижность тяжелых металлов. Увеличение поглощения цинка и кадмия растениями ячменя при подкислении дерново-подзолистой почвы было значительным по сравнению с торфяной почвой [Черных с соавт., 2003; Суслина с соавт., 2006].

Как показывают многочисленные исследования, тяжелые металлы являются фактором, стимулирующим накопление в растениях продуктов окислительного стресса и повреждения клеток растений. В результате этого происходит локальное угнетение роста и развития растений, а также потери урожая и ухудшение качества продукции с высоким содержанием тяжелых металлов, что делает невозможным ее дальнейшее применение для кормления сельскохозяйственных животных и питания человека. В настоящее время актуальным вопросом современной науки является поиск путей снижения токсического действия тяжелых металлов на формирование продуктивности и показателей качества различных сельскохозяйственных культур.

2. МЕХАНИЗМЫ ЗАЩИТНОГО ДЕЙСТВИЯ РАСТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ОКИСЛИТЕЛЬНЫХ СТРЕССОВ

При воздействии любого фактора, вызывающего стрессовые реакции в живых организмах, включаются реакции, связанные с активацией процессов по снижению воздействия стрессового фактора на клеточные структуры, с целью максимально предотвратить негативные последствия [Пахомова, 1995; Пахомова с соавт., 1996; Dixon, 1995].

Впервые концепция о стрессе растительного организма была сформирована Г. Селье в 1972 г., согласно которой воздействие стрессового фактора вызывает ряд неспецифических реакций в живой клетке, сопровождающихся перестройкой защитных систем организма под названием «генерализованный адаптационный синдром». В нем было выделено 3 стадии: реакция тревоги — первоначальная реакция организма, сопровождаемая активацией катализа различных полимеров для запуска защитных механизмов клетки; реакция адаптации — активация синтетических процессов, повышающих сопротивляемость организма; стадия истощения — стадия, при которой компенсаторные механизмы защиты клетки исчерпываются и сопротивляемость организма стрессовому фактору резко падает. В дальнейшем эта концепция была названа «триадой Селье» [Пахомова, 1995; Даев, 2019].

В настоящее время различают 2 вида устойчивости растения к стрессам: биологическую — порог устойчивости растения стрессовому фактору, при котором растение еще способно давать жизнеспособные семена и агрономическую — при которой наступает достоверное снижение урожайности при воздействии стрессового условия [Канаш, 2008; Шумилин, 2016б].

Универсальность в индукции окислительного стресса при действии самых разнообразных неблагоприятных факторов внешней среды указывает на принципиально важную роль антиоксидантных систем, снижающих внутриклеточные концентрации активных форм кислорода, а также систем, ликвидирующих токсические продукты взаимодействия АФК с биополимерами, и повышающих устойчивость растений к неблагоприятным факторам среды. В состав антиоксидантных систем входят ферменты класса оксидоредуктаз, определение активности которых позволяет судить об адаптивных возможностях растений [Гриценко, 2012].

В процессе эволюции растения выработали механизмы, включающие системы инактивации свободнорадикального окисления [Buwalda et al., 1988; Foyer et al., 2005; Kunert et al., 1989; Lachman et al., 2000; Nakano et al., 1981].

Защитная функция растительных организмов, направленная на противодействие последствиям окислительного стресса, требует больших энергетических затрат. Выделение энергии на снижение воздействия окислительного стресса уменьшает в свою очередь энергию, которая может быть затрачена на процессы, связанные с продуктивностью и качеством конечной продукции [Шакирова, 2001, 2003].

Устойчивость растений определяется устойчивостью их клеточных мембран к действию стрессовых реакций. Изменение проницаемости мембран при стрессовом воздействии может свидетельствовать об их структурной перестройке, что определяет потенциально возможные защитные механизмы растений по противостоянию неблагоприятным факторам среды [Альтергот, 1973, 1977; Тян с соавт., 2007; Алыбаева, 2009; Чистяков, 2009].

Современные представления о механизмах действия свидетельствуют, что первой линией защиты от отрицательного действия активных форм кислорода является каскад реакций образования продуктов синтеза специфических ферментов в клетках, деактивирующих как сами формы кислорода, так и последствия их воздействия на организм. Кроме этого, они восстанавливают высокоэффективные низкомолекулярные антиоксиданты, такие как глутатионпероксидазу [Байрамова, 2009; Вихрева, 2009; Лукаткин, 2013].

Основными ферментами антиоксидантной защиты клеток при действии окислительного стресса являются ферменты-антиокислители, основными из которых считаются каталазы, пероксидазы и некоторые другие оксидредуктазы [Хван, 1969; Иваченко, 2004]. В реакциях, предотвращающих окисление, участвуют полифенолы (флавоноиды, фенольные кислоты, фитоалексины и т. п.) [Шитт, 1959; Andersen et al., 1990; Andrews et al., 1998; Shigeoka et al., 1987; Alscher, 2002]; высокую антиокислительную активность имеют хлорогеновая и кофейная кислоты [Цуканова, 1987; Costantino et al., 1992; Feucht et al., 1994]. Важнейшую защитную роль биомембран выполняют токоферолы, и прежде всего альфа-токоферол [Fryer, 1992; Janiszowska et al., 1980; Noga et al., 1998]. Большое значение в стрессовых условиях проявляют аскорбиновая кислота, витамин Е и др. Кроме того, в последнее время в качестве противодействия окислительному стрессу растений предложено применять оксид азота II (NO) [Hayat et al., 2007, 2014].

Основной вклад в защитные реакции от активных форма кислорода в клетках вносят глутатион и аскорбиновая кислота, механизм действия которых заключается в захвате и восстановлении свободных радикалов, АФК, продуктов перекисного окисления липидов клеточных мембран. Антиоксидантные свойства аскорбата выражаются в образовании одноэлектронных циклических переходов между дигидро-, монодегидро- и дегидроаскорбатными формами. Аскорбиновая кислота дезактивирует свободные радикалы, выполняя сходную роль с супероксиддисмутазой, и детоксицирует токоферол [Чистяков, 2009; Половинкина с соавт., 2010; Шумилин, 2016а, б].

Системы антиоксидантной защиты растительной клетки также включают участие низкомолекулярных антиоксидантов, таких как токоферолы и др. [Чистяков, 2009; Slupphaug et al., 2003].

В условиях биотических и абиотических стрессов у большинства растений накапливается гетероциклическая аминокислота — пролин, которая вызывает стабилизацию мембран, уменьшает осмотическое воздействие стресса, защищает белки от денатурации, участвует в передаче стрессового сигнала, регулирует redox-потенциал клетки. Определенную роль в антиоксидантной защите растений имеют каротиноиды, которые ингибируют образование свободных радикалов и могут связывать синглентный кислород. Одной из функций каротиноидов является преобразование ультрафиолетового излучения до видимого света, что способствует снижению негативного действия ультрафиолетовой радиации на органеллы растительной клетки. Процесс превращения ультрафиолетового излучения в видимый свет называется флуоресценцией. При инактивации синглентного кислорода происходит рассеивание избытка энергии у молекулы хлорофилла в виде тепловой энергии [Байрамова, 2009; Головко, 2009; Хелдт, 2011; Шумилин, 2016б].

К одной из линий защиты от стрессовых факторов относят также глутатион-S-трансферазы (ГТ). ГТ связывают очень многие гидрофобные вещества и инактивируют их, но химической модификации с участием глутатиона подвергаются только те, которые имеют полярную группу. То есть субстратами служат вещества, которые, с одной стороны, имеют электрофильный центр (например, ОН-группу), а с другой стороны — гидрофобные зоны. Такими молекулами являются продукты перекисного окисления липидов (ПОЛ). Обезвреживание продуктов ПОЛ с участием глутатион-трансфераз может осуществляться тремя различными способами: путем конъюгации субстрата с глутатионом, в результате нуклеофильного замещения и путем восстановления органических пероксидов до спиртов [Половинкина с соавт., 2010].

В настоящее время имеется достаточно много экспериментальных данных по изучению аспектов влияния различных абиотических и биотических факторов, ограничивающих рост и развитие растений и снижающих их урожайность. Наиболее распространенными факторами, вызывающими стрессовые реакции у растений, являются неустойчивые условия увлажнения почвы, загрязнение почв токсическими веществами, использование средств химизации и др. Их изучению посвящено довольно много работ [Синдирева, 2000; Серегин, 2001; Серегина, 2008; 2010; Ниловская с соавт., 2009а, б; Аль Аруд, 2011; Верниченко, 2011; Синдирева, 2012; Чурсина, 2012; Телевка, 2013; Серегина с соавт., 2015; Шумилин, 2016; Серегина, 2017 и др.]. Большинство биотических и абиотических факторов вызывают в клетках растений проявление окислительных реакций. В растительном организме существуют механизмы специфической защиты от действия ряда стрессовых факторов, однако для повышения эффективности этих механизмов порой требуется применение различных средств мелиорации и химизации, в частности микроэлементов.

3. ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКАЯ РОЛЬ МОЛИБДЕНА В РАСТЕНИЯХ

Первое упоминание о возможности влияния молибдена на рост растений относится к 1913 г. Вопрос участия молибдена в физиологических и биохимических процессах растений изучался рядом авторов [Муравин, 1964; Пейве с соавт., 1969; Жизневская, 1972; Петербургский с соавт., 1972; Скворцов с соавт., 1972; Школьник, 1974; Журовска, 1979; Кабата-Пендиас с соавт., 1989; Кирнос с соавт., 1990; Панасин с соавт., 1990; Штефурцэ с соавт., 1991; Швецов с соавт., 1992, Верниченко, 2001].

Важнейшей физиологической ролью молибдена в растениях следует считать его участие в азотном обмене, в таких окислительно-восстановительных реакциях, как восстановление нитратов и фиксация молекулярного азота. Установлено, что молибден входит в состав нитратредуктазы. Восстановление нитратов осуществляется за счет перехода Мо ⁵⁺ в Мо ⁶⁺ и обратно, то есть за счет переноса электронов [Школьник, 1974]. Нитратредуктазы были выделены из различных высших растений: цветной капусты [Муравин, 1964], кормовых бобов [Муравин, 1964; Пейве с соавт., 1969] и других бобовых, микроорганизмов, пшеницы, риса и других растений [Школьник, 1974].

В настоящее время установлено, что молибден входит в качестве кофактора в состав различных ферментов: нитрогеназы, нитратредуктазы, нитритоксидредуктазы и т. д. [Mender, 1997; Титина с соавт., 1998]. Я. В. Пейве [1972] выявил, что биологические процессы с участием молибдена можно разделить на 3 группы: действие молибдена на процессы восстановления нитратов, нитритов и гидроксиламина до аммиака и биосинтез аминокислот; фиксация молекулярного азота; влияние молибдена на биосинтез нуклеиновых кислот и белков.

Доказано, что молибден повышает активность ферментов, катализирующих восстановление и ассимиляцию нитратов у растений (нитратредуктаза, нитритредуктаза и др.). Первой стадией восстановления нитратов является превращение нитратов в нитриты (NO₂–) с участием нитратредуктазы. При этом валентность молибдена изменяется с 5 до 6, а водород окисляется до воды [Пейве, 1972; Покровская, 1988; Тимашов, 1990; Mender, 1997; Титина с соавт., 1998]. Второй стадией является восстановление нитритов в аммиак, катализатором этого процесса является нитритредуктаза. Нитриты быстро усваиваются растительной клеткой и не накапливаются, что объясняется их высокой токсичностью и высокой активностью растительных нитритредуктаз [Пейве, 1972; Школьник, 1974; Покровская, 1988; Кирнос с соавт., 1990]. Нитратредуктаза в зеленых тканях растений локализована на внутренней мембране хлоропластов вместе с глутаминсинтетазой и глутаматсинтетазой. Вероятно, с этим связана возможность влияния молибдена на содержание хлорофилла. Нитратредуктазная активность клетки регулируется количеством фермента и уровнем его активности. Быстро синтезируется в клетке в присутствии нитрата и быстро исчезает при удалении последнего [Жизневская, 1972; Пейве, 1972]. Индукцию этого фермента вызывают цитокинины и этилен. Нитраты защищают нитратредуктазу от действия протеиназ. При исчезновении нитратов из клетки начинается немедленная деградация нитратредуктазной (HP) системы, которая приводит к полной потере HP активности [Школьник, 1974; Пейве, 1972]. Непосредственным продуктом при восстановлении нитритов может быть окись азота или гипонитрит (Н₂N₂O₂ или (НNO)₂), который с помощью гипонитритредуктазы ассимиляционного типа (при участии Fe и Сu) восстанавливается до гидроксиламина (NH₂OH). Гидроксиламин восстанавливается до аммиака гидроксиламинредуктазой, требующей для своей активности марганец. Весь путь восстановления нитратов в растении можно представить в виде следующей схемы:

NO₃– Mo NO₂– Fe, Cu (HNO)₂ или Н₂N₂O₂ Fe, Cu NH₂OH Mn NH₃
нитрат нитрит гипонитрит гидроксиламин аммиак

При недостатке молибдена тормозится первичный процесс усвоения азота, что может привести к снижению содержания аминокислот. При молибденовом голодании чаще всего наблюдалось уменьшение содержания аланина, аспарагиновой и глутаминовой кислот в листьях ячменя и люпина и в клубеньках люпина и кормовых бобов [Жизневская, 1972; Школьник, 1974; Панасин с соавт., 1990; и др.].

Еще в 1930 г. Bortees М. обнаружил участие Мо в фиксации молекулярного азота аэробной бактерией Azotobacter chroococcum. Он установил, что азотобактерия в чистой культуре плохо развивается и не усваивает молекулярный азот без добавления молибдена. Позже были получены данные о большой роли молибдена в азотфиксации у сине-зеленых водорослей, у ряда микроорганизмов в симбиозе с соей, люпином, бобами кормовыми и клевером [Школьник, 1974]. Процесс азотфиксации происходит с помощью фермента нитрогеназа, в состав которой входит молибден и железо. Нитрогеназа восстанавливает, кроме молекулярного азота N₂: азид, цианид, ацетилен в этилен, нитрилы, изонитрилы, циклопропен, цианамид, а также закись азота до N₂, который затем может быть восстановлен этим же ферментом до аммиака. Кроме того, молибден восстанавливает нитриты, реакция происходит на Fe-белке, и продуктом является аммиак [Школьник, 1974]. Установлено, что биологическая фиксация азота идет как восстановительная реакция. Молекула азота, при участи энергии АТФ, восстанавливается до аммиака. Восстановление происходит под действием атомов водорода, переносимых к нитрогеназе через цепь ферредоксинов. Этот процесс можно выразить в схеме:

N2:+AH₂ + АТФ → NH₃ + А + АДФ + Ф,

где АН₂ — донор электронов; A — его окисленная форма [Школьник, 1974].

Азотфиксация может происходить внутри клубенька бобового растения в бактероидах. Высшие растения являются поставщиком необходимых энергетических ресурсов, субстратов и кофакторов. Молибден оказывает большое влияние на симбиотическую азотфиксацию благодаря не только его значению в биохимических процессах самой азотфиксации, но и своему влиянию на обмен веществ бобового растения. При недостатке молибдена нарушается обмен углеводов и органических кислот, что может быть связано с нарушением синтеза и дыхательного процесса [Школьник, 1974; Жизневская, 1972; Ягодин, 1964].

У небобовых растений роль молибдена в обмене азотистых веществ определяется влиянием на усвоение растениями нитратного азота [Муравин, 1964; Пейве, 1972]. У молибден-дефицитных растений происходит раннее старение инфицированных клеток клубеньков [Жизневская с соавт., 1983]. Недостаток молибдена в клубеньках вызывает торможение процессов азотфиксации бобовых растений [Трепачев, 1999].

Физиологическая роль молибдена не ограничивается его значением в восстановлении нитратов и фиксации молекулярного азота. В литературе имеются сведения, указывающие на возможность влияния молибдена на биосинтез белков, аминокислот, а также процесс поступления общего азота в растения [Петербургский с соавт., 1972; Скворцов с соавт., 1972; Тимашов, 1990; Панасин с соавт., 1990; Кирнос с соавт., 1990, Верниченко, 2002]. Молибден не только увеличивает содержание белка в зерне сои, кукурузы, но и улучшает его качество за счет возрастания водорастворимой фракции. При этом в белке растет доля нуклеопротеидов и увеличивается содержание белкового фосфора, Кроме того, молибден оказывает положительное влияние на синтез нуклеиновых кислот [Школьник, 1974].

Установлено, что молибден оказывает влияние на обмен витаминов в растениях. В ряде работ показано увеличение содержания аскорбиновой кислоты и витамина Е, никотиновой кислоты и витамина В₆ в результате использования молибденовых удобрений [Петербургский с соавт., 1972; Школьник, 1974; Журовска, 1979 и др.].

В результате многочисленных исследований было установлено, что молибден оказывает влияние на содержание хлорофилла. Молибден в наибольшем количестве сосредоточен в хлоропластах листьев и лейкопластах корней растений и в меньшей мере в ядрах митохондрий. Было показано, что при использовании молибденовых удобрений увеличивается содержание хлорофилла в листьях растений [Петербургский с соавт., 1972; Школьник, 1974; Журовска, 1979; Кирнос с соавт., 1990]. Отмечено, что молибден повышает интенсивность фотосинтеза у гороха в утренние и вечерние часы и уменьшает депрессию этого процесса в дневное время. Причем в засушливых условиях положительное влияние молибдена на интенсивность фотосинтеза становится более заметным. В. Я. Журовска [1979] объясняет последнее возможностью повышения устойчивости к разрушению белково-пигментного комплекса. В условиях засухи во всех органах накапливалось больше молибдена, чем при нормальном водообеспечении. Влияние молибдена на образование хлорофилла автор связывает с появлением содержания аскорбиновой кислоты, участвующей в регенерации хлорофилла и бактериофилла из продуктов их фотоокисления.

Наиболее чувствительными к недостатку в почве молибдена являются бобовые культуры: горох, бобы, вика и особенно — люцерна и клевер, а также капуста, корнеплоды и другие овощные культуры. Большое значение при использовании микроудобрений имеет выбор способа их применения. Распространенным способом применения молибдена является внесение в почву совместно с удобрениями и без них. В этом случае достигается наиболее полное удовлетворение потребностей растений в микроэлементах, а также возрастает коэффициент их использования [Милащенко, 1993; Kotur, 1995; Потапова, 1996].

Молибденсодержащие удобрения применяют различными способами. При этом используют как специальные удобрения (молибденсульфат), так и добавляют 0,1–0,2 вес.% молибдена к минеральным удобрениям. Применение молибдена на высоких дозах азота оказывает положительное влияние на рост пшеницы. В период наиболее активного роста — в фазу трубкования — под влиянием молибдена масса сухого вещества увеличивается на 10% вследствие интенсивного роста листьев [Кирнос с соавт., 1990], возрастает хозяйственный вынос основных элементов питания [Каплунова с соавт., 1988]. Увеличение урожая зерна в среднем происходило на 14–18%, что было результатом возрастания озерненности колоса. По-видимому, применение молибдена на высоких дозах азота создает лучшие условия для закладки и развития цветковых зачатков у пшеницы [Кирнос, 1990]; генеративных органов у клевера красного, тимофеевки луговой, овсяницы луговой [Журовска, 1990; Трепачев, 1999]. В. Ф. Скворцов с соавт. [1972] отметил, что средняя прибавка урожая озимой пшеницы при внесении в почву 100 г/га Мо составляет 1,5 ц/га, при этом увеличивались абсолютные показатели зерновой продуктивности растений.

Другим способом применения молибдена является опрыскивание 0,025%-ным раствором молибденово-кислого аммония, который можно сочетать со средствами защиты растений, а также с макроудобрениями [Тома, 1984; Минеев, 1990; Милащенко, 1993; Китаева, 1996].

Наиболее перспективным и экономически выгодным является способ предпосевной обработки семян солями молибдена. Для этого используют хорошо растворимые соли, например молибденово-кислый аммоний. Микроэлементы, в том числе молибден, увеличивают урожайность растений на 10–12%, повышают устойчивость растений к неблагоприятным условиям водообеспечения в фазу выхода в трубку — колошение [Комаров с соавт., 1985], повышают полевую всхожесть яровой пшеницы и ячменя на 5–6%, оказывают влияние на стекловидность, качество клейковины зерна [Комаров с соавт., 1985; Кудашкин, 1986; Чумаченко, 1989], усиливает физиолого-биохимические процессы в растениях, отчетливое снижение содержание азота в соломе с усилением оттока его в зерно [Ягодин с соавт., 1990]. Применение молибдена существенно повышало водоудерживающую способность растений пшеницы при почвенной засухе, увеличивало урожай зерна пшеницы на 15–35% [Ислам, 1998]. Кроме того, снижались повреждения в проницаемости мембран, вызванные водным стрессом [Верниченко, 2002].

Дозы молибденсодержащих соединений, рекомендуемые для применения предпосевной обработки семян, значительно различаются у разных авторов. Так, например, О. Кумаков [1988] и И. Н. Чумаченко с соавт. [1989] рекомендуют использовать 16–25 г Мо/ц семян кукурузы, пшеницы, сои, бобов, гороха. Н. А. Боме с соавт. [1985] — 40 г Мо д. в./1 ц семян, И. В. Панферов [1987], Н. З. Милащенко [1993] для предпосевной обработки семян зерновых предлагают 50–60 г Мо; для корнеплодов или клубней, а также зернобобовых — 150–160 г; для кукурузы 170–180 г; сахарной свеклы и кормовых корнеплодов — 100–150 г; льна — 150–160 г, картофеля — 80–100 г, многолетних трав — 2500–3000 г на 1 ц семян.

Оптимальная доза молибдена, необходимая для обработки семян, определяется различными факторами, среди которых в первую очередь следует отметить биологические особенности культуры, сортовую специфику, почвенно-климатические условия, а также условия водообеспечения. В связи с этим представляют интерес исследования, посвященные изучению влияния молибдена на формирование фотосинтетической активности ассимиляционного аппарата растений пшеницы, а также донорно-акцепторные отношения, которые складываются в растениях, и их участие в создании зерновой продуктивности.

Растения поглощают молибден главным образом в виде молибдат-ионов, и его адсорбция пропорциональна его концентрации в почвенном растворе [Кабата-Пендиас с соавт., 1989].

Молибден как металл простетической группы нитратредуктазы обнаружен о многих растениях: сое, капусте цветной, рисе, пшенице и др. В настоящее время известно, что молибден входит в качестве кофактора в состав различных ферментов: нитрогеназы, нитратредуктазы, нитритоксидоредуктазы, ксантиноксидазы, ксантингидрогеназы, альдегидоксидозы, формиатдегидрогеназы, СО-оксидоредуктазы, сульфатоксидазы. Эти ферменты участвуют в метаболизме азота, углерода и серы. Отмечается, что к Mo-ферментам относятся также дексальоксидаза, биотинсульфоксидредуктаза, тетратианоредуктаза, диметилсульфоксидредуктаза и триметилаламинредуктаза [Кабата-Пендиас с соавт., 1989].

Растениям доступен 6-валентный молибдатоксианион МоО₄2–, который может накапливаться в больших количествах без признаков токсичности. Молибдаты дают комплексы с полианионами (например, фосфомолибдаты) посредством 6-дентатной координационной связи и отличаются от оксианионов неметаллов тем, что молибден может менять валентность, связываясь с серосодержащими лигандами (например, с SH-функциональными группами белков), также и с анионными кислородосодержащими лигандами [Тимашов, 1990]. L. O. Tiffin [1972] предположил, что молибден может перемещаться в растениях в результате образования органических, преимущественно Mo–S аминокислотных комплексов, которые были обнаружены в соке ксилемы. Одним из основных факторов, влияющих на поглощение молибдена растениями, является рН среды [Ковальчук с соавт., 1992]. Установлено большое содержание Мо в семенах растений, выращенных на нейтральной и слабощелочной почвах [Неклюдов, 1970; Dick еt al., 1985; Кабата-Пендиас с соавт., 1989]. Было обнаружено аномально высокое содержание молибдена свыше 52 мг/кг, при среднем значении 11 мг/кг в природных растениях, растущих на нейтральных и щелочных почвах, тогда как на богатых молибденом кислых почвах и на почвах с низким его содержанием концентрации этого элемента в тех же растениях составляли в среднем 0,9 и менее 0,2 мг/кг соответственно. По степени поглощения молибден относится к средней группе [Тяжелые металлы, 1997]. Наибольшее количество молибдена накапливается в семенах, затем в вегетативных органах, причем листья содержат молибдена больше, чем стебли. В семенах бобовых растений концентрация молибдена составляет 5,54 мг, в семенах растений семейств ~0,46 мг/кг сухого вещества [Неклюдов, 1970]. Много молибдена в корнях и гипокотиле зерновых и злаковых культур [Fardasova еt al., 1998]. Нормальный уровень содержания молибдена в тканях листьев обычно составляет 1 мг/кг сухого вещества или менее. Однако корневые клубеньки содержат в несколько раз больше элемента [Кабата-Пендиас с соавт., 1989]. Особенно многочисленны данные о содержании молибдена в кормовых культурах. В разных странах средние уровни содержания молибдена в кормовых травах и бобовых культурах изменяются от 0,33 до 1,5 и от 0,73 до 2,3 мг/кг сухой массы. Уровни содержания этого элемента в подножном корме колебались в зависимости от стадии развития растений и продолжительности периода вегетации. Так, наиболее высокие концентрации молибдена отмечались в весенние и осенние периоды [Кабата-Пендиас с соавт., 1989]. Следует отметить, что в нашей стране проводились многочисленные исследования по определению содержания молибдена в разных культурах [Ягодин с соавт., 1989, 1990, 1992 и др.].

Б. А. Ягодин с соавт. [1989, 1990, 1992] отмечают, что из зерновых культур наименьшее среднее содержание молибдена обнаружено в зерне кукурузы — 14 мг/кг, в зерне пшеницы, ячменя и овса — 0,38–0,48; риса — 0,74. Среди бобовых меньше всего молибдена накапливается в зерне фасоли — 2,42 мг/кг, среди масличных культур — в семенах подсолнечника — 0,27 мг/кг. Однако авторы отмечают, что количество собранной информации для семян зерновых и зернобобовых культур значительно превосходит данные по масличным, что, вероятно, связано с различным хозяйственным использованием этих культур. Зерновые и бобовые являются основными продовольственными культурами. Семена бобовых в целом содержат больше Мо, а зерновых и масличных имеют близкие средние значения концентраций молибдена.

А. Кабата-Пендиас с соавт. [1989] отмечают, что содержание молибдена колеблется в пределах 0,07–1,75 мг/кг сухой массы, причем наиболее высокие значения характерны для бобовых культур (горох), а самые низкие — для фруктовых растений (яблоня).

Концентрация молибдена в растениях зависит от совокупности воздействия различных факторов, к которым относятся следующие: сортовая и видовая специфика разнообразия микроорганизмов, время созревания (ранне-, позднеспелые); фаза созревания; свойства почвы (содержание, доступность молибдена, pH почвы; почвенно-климатическая зона; климатические условия; использование макроудобрений и микроудобрений; соотношение химических элементов в окружающей среде; степень загрязнения почвы тяжелыми металлами; состояние водного режима почвы и др.).

Вопросам влияния перечисленных факторов на содержание молибдена в растениеводческой продукции посвящено много исследований. Следует отметить, что, как правило, на формирование продуктивности растений оказывают влияние несколько факторов, действующих одновременно и ограничивающих получение высоких урожаев сельскохозяйственных культур. Аспекты влияния различных факторов при их взаимодействии на формирование зерновой продуктивности растений, а также на процессы поступления и распределения между органами растений остаются малоизученными и в связи с этим приобретают большую актуальность и практическую значимость.

В исследованиях Ю. Н. Казачкова с соавт. [1987] показано, что содержание молибдена в зерне различных сортов сои находилось в широких пределах — 0,9–10,2 мг/кг. Разница по сортам увеличивалась при использовании молибденовых удобрений. Так, по данным авторов, использование молибденовых удобрений под зернобобовые культуры приводило к увеличению содержания молибдена с 0,92 до 291 мг/кг. Кроме того, большое влияние оказывают дозы микроудобрения. Показано, что при внесении в почву 10 кг Mo на 1 га в зерне гороха концентрация молибдена увеличивалась в 18 раз, а при внесении 250 кг Мо на 1 га в зерне сои концентрация Мо возросла в 200–300 раз [Казачков с соавт., 1987].

Также на содержание молибдена в семенах сои оказывает влияние возрастной фактор, т. е. время созревания плодов (использование ранне- и позднеспелых сортов). В исследованиях, проведенных в Японии [Ishizuka, 1982], показано, что чем раньше созревает соя (с 11 по 30 июля), тем большей концентрацией характеризуется ее зерно (с 0,55 до 7,44 мг/кг). При использовании позднеспелых сортов содержание Мо снижается до 1,94 мг/кг. Автор делает вывод, что концентрация Мо в большей степени зависит от возрастного фактора, чем от содержания этого элемента в почве, кроме тех случаев, когда растения испытывают недостаток молибдена.

Содержание Мо в растительной продукции в значительной степени определяется почвенно-климатической зоной выращивания растения. Так, Н. А. Токовой и Н. М. Майборода [1966] отмечали, что в условиях тайги и подтайги в зерне пшеницы и ячменя накопилось больше молибдена, чем в условиях лесостепи и степи (0,06–0,4 мг/кг; 0,3–0,8 мг/кг соответственно), что, вероятно, связано с особенностями элементного состава и свойств почв, а также разнообразием климатических условий. Максимальная адсорбция молибдена проявляется при низких значениях pH, при увеличении pH — адсорбция снижается и нулевая — при pH — 8 [Goldenberg еt al., 1998].

В условиях загрязнения почв тяжелыми металлами концентрация Мо в растениях значительно увеличивается. Например, в пастбищных растениях недалеко от металлургического завода концентрация Мо достигала 200 мг/кг сухой массы. При выращивании овощных культур вблизи завода по переработке молибдена содержание этого элемента достигало 1000 мг Мо на 1 кг сухой массы [Кабата-Пендиас с соавт., 1989]. Выявлено, что антропогенное загрязнение почв тяжелыми металлами может приводить к аномальным уровням концентраций молибдена.

Условия водного режима почв также оказывают большое влияние на накопление Мо в продукции растениеводства, но этот вопрос требует дальнейшего исследования.

Установлено, что особенно большой потребностью в молибдене обладают бобовые, а также крестоцветные и некоторые овощные культуры [Ягодин, 1964; Каталымов, 1965; Жизневская, 1972; Муравин, 1991]. Обычно дефицит Мо в растениях проявляется при концентрации в тканях листьев 0,1–0,3 мг/кг сухой массы. Нормальным содержанием в растениях считается — 20–300 мг/кг, а больше 300 — токсичным [Кабата-Пендиас с соавт., 1989].

Известно, что симптомы недостаточности молибдена у растений сходны с симптомами дефицита азота, среди которых отмечают: хлороз листьев, нитевидность листьев у капусты, окраска листьев бледно-зеленая или желтая, разрушение зародышевых листьев, снижение образования цветков и т. д.

В растительных тканях и в почве, окружающей корни, молибден взаимодействует с другими химическими элементами. Наиболее важными являются взаимодействия Мо–Сu и Mo–S, направленность которых зависит от целого ряда факторов. В литературе отмечается как антагонизм Мо и Сu, который оказывает огромное влияние на метаболизм азота [Кабата-Пендиас с соавт., 1989], так и синергизм между этими элементами [Петербургский с соавт., 1972; Жизневская, 1972]. Антагонизм имеет место лишь при их избыточном содержании элементов в растении, либо при использовании высоких доз микроудобрений. Почвенные факторы, увеличивающие доступность Мо для растений, оказывают ингибирующее воздействие на поглощение меди, а физиологический барьер растений в отношении молибдена менее эффективен, чем в отношении меди [Серегина, 2000].

Взаимодействие молибдена и серы также приобретает либо антагонистическое, либо синергическое направления, что во многом зависит от интенсивности применения серосодержащих микроудобрений [Кабата-Пендиас с соавт., 1989; Дудецкий, 1998; Торшин, 1996: Торшин, 1998]. Авторами установлено, что внесение серы привело к трехкратному снижению поступления молибдена в семена. Селен в значительной степени усугублял этот антагонизм.

Между Мn и Мо существует антагонизм, который зависит от кислотности почвы, определяющей доступность микроэлементов для растений. Известкование способствует увеличению доступности молибдена и снижению токсичности марганца. Взаимосвязь Fe–Мо проявляется в том, что на богатых железом почвах молибден труднодоступен для растений, в то время как повышенные уровни содержания молибдена могут вызывать у растений железистую недостаточность. Однако механизм этого взаимодействия изучен недостаточно [Кабата-Пендиас с соавт., 1989; Дудецкий, 1998; Торшин, 1996; Торшин, 1998].

В литературе имеются сведения о взаимосвязи молибденового и фосфорного питания. При достаточном снабжении растений фосфором молибден дает большие прибавки урожая и значительно улучшает качества урожая. Молибден повышал содержание общего органического фосфора по отношению к минеральному. Повышение количества органического фосфора происходило в основном за счет фракции нуклеопротеидов [Яковлева с соавт., 1972; Школьник, 1974]. А. Кабата-Пендиас с соавт. отмечают, что фосфомолибденный комплекс обладает повышенной растворимостью. Однако данные по этому вопросу противоречивые. Показано, что обычный SO₄2–, входящий в простой суперфосфат, снижает темпы поглощения молибдена, а концентрированный суперфосфат — увеличивает их.

Мб. З. Ислам [1998] выявил, что с увеличением уровня азотного питания в 1,5–2 раза возрастало содержание молибдена в зерне при оптимальном увлажнении. С другой стороны, при использовании предпосевной обработки семян молибденом возрастала концентрация азота в зерне. Автор отмечает, что применение молибдена заметно стимулировало азотный обмен растений.

Таким образом, можно сделать вывод, что взаимодействие молибдена с другими элементами зависит в значительной степени от почвенных факторов, а также от физиолого-биохимических процессов самих растениях.

В литературе имеются сведения, что молибден способен снижать отрицательное влияние недостатка влаги на рост и продуктивность растений. Было установлено, что молибден способен повышать содержание аминного азота в стеблях растений при засухе [Боженко, 1976]. Повышение содержания свободных аминокислот, вероятно, играет защитную роль при засухе, так как связывают аммиак, количество которого увеличивается в условиях водного стресса. Кроме того, положительное действие молибдена на азотный обмен растений сопровождается не только увеличением содержания белка, но и улучшением качественных показателей белкового комплекса. Так, при засухе возрастало количество водо- и солерастворимых белков, концентрация которых снижалась у контрольных растений [Бредихин, 1977].

В многочисленных опытах было показано, что молибден в условиях дефицита влаги повышает интенсивность фотосинтеза в утренние и вечерние часы, уменьшает дневную депрессию фотосинтеза, способствует стабилизации дыхательного газообмена главным образом за счет усиления пентозофосфатного окисления. Кроме того, высказывается предположение, что молибден способствует повышению выносливости растении путем усиления сопряженности различных механизмов регуляции, в том числе через регуляцию основных этапов дыхательного метаболизма, а также путем увеличения активности АТФ-азы, глутаматдегидрогеназы и глутаминсинтетазы [Школьник, 1974; Журовска, 1979; Тома, 1990; Штефурце с соавт., 1991 и др.].

Установлено, что молибден способствует увеличению содержания аскорбиновой кислоты в овощных растениях и некоторых крупяных культурах [Журовска, 1979 и др.]. Во время засухи нарушается ход окислительно-восстановительных процессов, о чем свидетельствует снижение содержания аскорбиновой кислоты. Можно предположить, что молибден повышает засухоустойчивость растений путем влияния на синтез аскорбиновой кислоты, которая образуется из углеводов. В. П. Боженко с соавт. [1963] отмечали, что применение молибдена повышало засухоустойчивость овса при дефиците влаги в почве, причем увеличивался уровень белкового азота в листьях и аминного азота в стеблях опытных растений. Кроме того, в условиях недостатка влаги в почве молибден положительно действует на активность нитратредуктазы, АТФ-азы, повышается также активность глутаматдегидрогеназы и глутаматсинтетазы [Тома, 1990]. Известно, что АТФ-аза катализирует отщепление фосфорной кислоты от АТФ с выделением большого количества энергии, ферменты глутаматдегидрогеназа и глутаматсинтетаза катализируют синтез глутаминовой кислоты и других аминокислот путем включения аммиака в кетокислоты: L-кетоглутаровую, пировиноградную, L-кетомасляную и т. д. Вероятно, что другим механизмом повышения молибденом засухоустойчивости является влияние на биосинтез аминокислот и соответственно белков.

А. А. Штефурцэ с соавт. [1991] показывают, что молибден способствует стабилизации дыхательного газообмена при кратковременном воздействии недостатка или избытка влаги в почве, главным образом за счет усиления пентозофосфатного окисления. Авторы высказывают предположение, что молибден в условиях водного стресса способствует повышению выносливости растений путем усиления сопряженности различных механизмов регуляции, в том числе через регуляцию основных этапов дыхательного метаболизма. Обезвоживание тканей при недостатке влаги более существенно подавляет активность сукцинатдегидрогеназы, чем флавопротеидных оксидаз, что вызывало, как следствие, снижение интенсивности дыхания, протекающего по пути цикла Кребса. Молибден способствует стабилизации дыхательного газообмена главным образом за счет усиления пентозофосфатного цикла. Авторами высказывается предположение, что молибден в условиях водного стресса способствует повышению устойчивости растений путем усиления сопряженности различных механизмов регуляции, в том числе через регуляцию основных этапов дыхательного метаболизма.

Мб. З. Ислам [1998] отмечает, что у растений, выросших из семян, обработанных перед посевом раствором соли молибдена, снижались повреждения в мембранах при дефиците воды, кроме того, возрастала водоудерживающая способность растений пшеницы. При этом увеличивалось содержание общего и белкового азота, что способствовало повышению устойчивости растений к негативному воздействию засухи в критический период роста растений.

Обобщая вышеприведенные литературные данные, можно сделать вывод, что молибден является необходимым элементом для нормальной жизнедеятельности растений. Многочисленные исследования свидетельствуют о разностороннем действии молибдена на метаболические процессы и структуру органелл клеток в условиях оптимального водообеспечения и при недостатке влаги. Роль микроэлемента заключается прежде всего в устранении вызванного дефицитом влаги нарушения в обмене веществ, в упрочнении структурных элементов клетки, в усилении защитных реакций. Это обеспечивает более совершенное саморегулирование растительного организма при наступлении засухи, а также более успешное протекание репарационных процессов при восстановлении оптимального водоснабжения. Молибден способствует повышению устойчивости растений к недостатку влаги за счет участия во многих биохимических процессах. Однако механизмы действия молибдена на рост и развитие растений в условиях засухи изучены недостаточно. Представляет интерес изучение вопросов влияния молибдена на фотосинтетическую деятельность и донорно-акцепторные отношения в растении в условиях водного стресса, а также их связь с процессами формирования урожайности растений в зависимости от условий выращивания.

3.1. Действие молибдена на рост, развитие и продуктивность яровой пшеницы при оптимальном увлажнении

В экспериментах изучалось влияние молибдена на величину урожайности растений, а также на формирование и реализацию элементов продуктивности яровой пшеницы сорта Иволга при оптимальном водообеспечении (табл. 1). Исследования проводили в вегетационных экспериментах в почвенной культуре в соответствии с общепринятыми методиками [Волобуева с соавт., 2010; Козаренко с соавт., 2015]. Опыты проводили в условиях вегетационного домика и фитотронной установки. Оптимальное водообеспечение растений создавали путем полива сосудов по массе до 60% ПВ в течение всего вегетационного периода. Использование обработки семян молибденом способствовало достоверному увеличению урожая зерна на всех уровнях азотного питания. Выявлено возрастание массы зерна при низкой дозе азота в 1,41 раза, при средней — на 10%, при высокой — в 1,12–1,47 раза.

Известно, что величина конечной продуктивности в условиях оптимального увлажнения является результатом жизнедеятельности растений в течение всей вегетации. Уже в период закладки и развития цветков на конусе нарастания главного побега (V–VI этапы органогенеза) можно предположить уровень потенциальной продуктивности. Результаты представлены в табл. 1. Анализ результатов подсчета числа цветков, заложившихся на конусе нарастания главного колоса, показал, что обработка семян молибденом способствовала увеличению числа цветков при низком уровне азота с 56 шт. до 66 шт., при среднем — изменения были недостоверными, при высоком — с 59–70 до 70–75 шт. Отмечено, что число зачаточных цветков, заложившихся на конусе нарастания, зависело от уровня азотного питания и было наибольшим на высокой дозе азота. В исследованиях С. В. Кирнос с соавт. [1990] показано, что молибден способствует улучшению условий для закладки и развития цветочных зачатков у пшеницы в условиях высокого обеспечения растений азотом. В наших исследованиях выявлено, что при использовании предпосевной обработки семян молибденом возрастала доля реализации цветков в зерна: что оказало влияние на озерненность колоса и конечную продуктивность растений пшеницы.

Таблица 1

Влияние молибдена на урожайность яровой пшеницы при оптимальном водообеспечении

Условия питания

Масса зерна, г/сосуд

Число шт./растение

Доля
реализации,%

доза азота, мг/кг почвы

предпосевная обработка семян

цветков

зерен

Опыт в вегетационном домике

50

Н₂О

3,30

56

18

32,1

Мо

4,65

66

25

37,9

300

Н₂О

3,30

59

20

33,9

Мо

4,85

70

29

41,4

НСР ₀₅

0,70

2

2

Опыт в фитотронной установке

150

Н₂О

12,00

68

29

42,6

Мо

13,20

70

31

44,3

300

Н₂О

12,90

70

32

45,7

Мо

14,40

75

34

45,3

НСР ₀₅

1,00

4

2

Таким образом, можно сделать вывод, что молибден оказывает существенное влияние на формирование репродуктивной сферы растений пшеницы, увеличивая число цветков, заложившихся на конусе нарастания на VI этапе органогенеза, а также доли реализации цветков в зерно. Это определяет возрастание озерненности колоса и увеличение конечной продуктивности растений пшеницы сорта Иволга.

В экспериментах, проведенных в вегетационном домике и в регулируемых условиях фитотронной установки, изучалось влияние молибдена на структуру урожая растений пшеницы сорта Иволга при оптимальном водообеспечении. Результаты представлены в табл. 2.

Таблица 2

Влияние обработки семян молибденом на структуру урожая растений яровой пшеницы при оптимальном увлажнении

Условия питания

Зерно

Солома

Полова

Надземная часть растений,
г/сосуд

доза азота, мг/кг почвы

предпосевная обработка семян

г/сосуд

% от надземной части растений

г/сосуд

% от надземной части растений

г/сосуд

% от надземной части растений

Опыт в вегетационном домике

50

Н₂О

3,3

30

5,9

54

1,8

16

11,0

Мо

4,7

38

5,9

48

1,7

14

12,3

300

Н₂О

3,3

25

7,5

58

2,3

17

13,1

Мо

4,7

33

7,1

50

2,5

17

14,3

НСР 0,05

0,75

0,9

Опыт в фитотронной установке

150

Н₂О

12,0

42

13,4

47

3,0

11

28,4

Мо

13,2

48

11,4

41

2,9

11

27,5

300

Н₂О

12,9

43

13,8

46

3,2

11

29,9

Мо

14,4

49

12,2

41

2,8

10

29,4

НСР 0,05

1,2

1,1

1,05

Проведенные исследования позволили выявить положительное действие молибдена на структуру урожая яровой пшеницы. Отмечено перераспределение структуры урожая в сторону роста доли зерна и уменьшения доли соломы. Показано увеличение доли зерна в структуре урожая пшеницы при низкой дозе азота с 30 до 38%, при средней дозе азота — с 42 до 48%, при высокой — с 25 до 33% (при выращивании растений в условиях вегетационного опыта) и с 43 до 49% (при выращивании растений в фитотроне). Во всех вариантах применения молибдена выявлено уменьшение доли соломы. Наибольшее снижение доли соломы выявлено при низкой и средней дозах азота. Существенного изменения доли половы в структуре урожая пшеницы не выявлено.

Таблица 3

Влияние молибдена на структуру растений пшеницы сорта Иволга при оптимальном водообеспечении

Условия питания

Число в колосе, шт.

Длина, см

Масса 1000 зерен, г

доза азота, мг/кг почвы

предпосевная обработка семян

колосков

зерен

колоса

стебля

Опыт в вегетационном домике

50

Н₂О

10

18

4,6

49,1

21,0

Мо

14

25

4,6

49,5

21,0

300

Н₂О

13

20

6,5

60,4

20,5

Мо

16

29

5,8

59,1

20,9

НСР 0,05

2

2

0,9

3,1

2,4

Опыт в фитотронной установке

150

Н₂О

13

29

7,5

60,2

28,2

Мо

13

31

7,0

60,3

28,4

300

Н₂О

13

32

6,3

57,6

26,8

Мо

13

34

6,4

53,2

28,5

НСР 0,05

2

2

0,7

4,2

2,3

Оценка результатов, полученных в экспериментах, показала, что действие молибдена на формирование элементов продуктивности зависела от условий выращивания (табл. 3). Показано увеличение числа зерен в вегетационном опыте на 39–45%, в условиях фитотрона — на 6–7%. В этих условиях изменения линейных размеров колоса и стебля растений оказались недостоверны. При применении молибдена число колосков увеличилось при выращивании пшеницы в условиях вегетационного домика в 1,2–1,4 раза. Таким образом, можно сделать вывод, что увеличение урожайности растений пшеницы при применении предпосевной обработки семян произошло в основном за счет роста озерненности колоса, т. е. его действие направлено на формирование большего количества зачаточных цветков и активизацию процессов реализации цветков в зерна.

Проведенные опыты позволили изучить особенности формирования элементов продуктивности пшеницы, а также оценить вклад отдельных элементов в формирование величины урожайности пшеницы. Применение молибдена способствовало формированию более продуктивного с наилучшей структурой урожая пшеницы. Установлено влияние молибдена на процессы регулирования репродуктивной сферы растений на VI этапе органогенеза, что отразилось на развитии большего количества цветков на конусе нарастания, а также на увеличении доли реализации цветков в зерна. Это определяло большую озерненность колоса и привело к увеличению урожайности пшеницы с наиболее оптимальной структурой урожая.

Известно, что важнейшей задачей экспериментальной работы по изучению роли микроэлементов в продукционном процессе является установление их оптимальной дозы и способа внесения. Исследования проводили совместно с проф. Ниловской Н. Т. [Серегина с соавт., 2020]. Для оценки влияния молибдена на рост растений пшеницы сорта Иволга на I–II этапах онтогенеза растений была проведена серия краткосрочных экспериментов. Эксперименты проводили в термостате, где температура днем поддерживалась 23 °C, ночью –18 °C. Семена пшеницы обрабатывали перед посевом путем намачивания в различных растворах молибденово-кислого аммония из расчета 0, 10, 30, 50, 100, 150 мг соли на 1 центнер семян. Семена, предварительно обработанные растворами соли молибдена, высевали по 10 шт. на полоски фильтровальной бумаги, которые сворачивали в рулоны и помещали по 5 рулонов в стакан с дистиллированной водой. Через семь суток после посева оценивали линейные размеры и биомассу ростков и корней. Результаты представлены в табл. 4.

В результате проведенного эксперимента показано, что использование обработки семян молибденово-кислым аммонием привело к увеличению ростовых функций проростков пшеницы. Следует отметить, что наибольший эффект от применения молибдена отмечен при использовании дозы 50 г/ц семян. При этом у проростков достоверно увеличивались всхожесть, длина ростков и корней, сухая масса проростков и корней. Увеличение концентрации молибдена в 2 и более раз приводило к торможению ростовых показателей пшеницы.

Таблица 4

Влияние молибдена на ростовые показатели проростков яровой пшеницы сорта Иволга

Доза

Мо, г/ц

Всхожесть,%

Длина, см

Сухая масса, г

ростков

корней

ростков

корней

целое растение

0

90

11,5

7,8

3,7

1,6

5,3

10

90

12,3

8,9

3,9

1,6

5,5

30

90

13,7

9,0

4,0

1,8

5,8

50

95

15,7

9,5

4,4

2,5

6,9

100

80

12,8

6,6

3,3

1,3

4,6

150

70

12,4

4,8

2,4

1,1

3,5

НСР ₀₅

4

1,2

1,0

0,5

0,6

Известно, что анализ только абсолютных показателей линейных размеров и накопления биомассы проростков на ранних этапах развития не всегда дает точный ответ об эффективности действия селена на ростовые показатели сортов пшеницы и не позволяет найти наиболее оптимальную дозу этого элемента.

Показано, что по оценке изменений длины корня в начальные фазы развития (5–7 сутки) можно выявить степень устойчивости сорта зерновой культуры к факторам внешней среды. В качестве показателя уровня лабораторной устойчивости растений к стрессовым условиям используют индекс длины корня (ИДК) — отношение длины наибольшего корня к длине корня в контроле. Наибольший показатель ИДК был получен в варианте, где семена перед посевом обрабатывали раствором молибденово-кислого аммония в дозе 50 г/ц семян.

Для оценки уровня адаптации растений на ранних этапах развития используется также такой показатель, как корневой индекс (КИ), — это отношение массы корня к массе надземной части растений [Лисицын, 2001, 2003, 2005; Серегина, 2017], который определяется генетическими характеристиками растений. Расчет соотношений массы корня к массе надземной части (КИ) в нашем эксперименте показал, что наибольшая величина этого показателя составила 0,36 в варианте, где семена обрабатывали молибденово-кислым аммонием в дозе 50 мг/ц семян (по сравнению с контролем). Можно сделать вывод, что в данном варианте с наибольшим соотношением массы корней к массе надземной части величина корневой системы преобладает над побегом, при этом не нарушаются поглощение и транспорт элементов минерального питания и воды корнем из семени.

Таким образом, проведенные исследования позволили выявить наиболее оптимальную дозу изучаемой соли молибдена — 50 мг на 1 ц семян, которую можно рекомендовать для применения в качестве предпосевной обработки семян яровых зерновых культур.

Для изучения влияния различных доз молибденово-кислого аммония для предпосевной обработки семян на содержание хлорофилла был проведен краткосрочный опыт с растениями пшеницы сорта Иволга в зависимости от условий водообеспечения. Эксперимент проводили в регулируемых условиях фитотронной установки. Растения выращивали в сосудах емкостью 1 кг почвы. Для опыта использовали дерново-подзолистую, среднесуглинистую почвы. Перед посевом семена обрабатывали молибденово-кислым аммонием из расчета 30 и 50 г/ц семян. В течение 14 дней растения поливали из расчета 60% ПВ. Затем в вариантах с засухой прекращали полив до наступления в почве влажности устойчивого завядания (40% ПВ). Продолжительность экспериментов составила 21 сутки. Уровень азотного питания создавали из расчета 50 (N₁), 150 (N₂) и 300 (N₃) мг/кг почвы, уровни фосфора и калия — по 300 мг/кг почвы. После окончания эксперимента в листьях растениях определяли содержание прочносвязной фракции хлорофилл а и хлорофилл б, сумму хлорофиллов (а + б), а также соотношение хл.а/хл.б. Содержание пигментов определяли в вытяжке 100% ацетона на спектрофотометре СФ-46 [Практикум по физиологии растений, 1990].

В результате экспериментов было установлено, что применение молибденово-кислого аммония для предпосевной обработки семян оказывало положительное действие на содержание хлорофилла в листьях растений, что играет важную роль в регулировании фотосинтетической активности пшеницы. Результаты исследований представлены в табл. 5.

Таблица 5

Содержание хлорофилла в листьях пшеницы в зависимости от дозы молибдена в оптимальных условиях водообеспечения

Окончание табл. 5

1

2

3

4

5

6

Условия питания

Содержание хлорофиллов, мг/г сырого вещества

Сумма хлорофиллов (а + б),
мг/г сырого вещества

Соотношение
хл.а/хл.б

доза азота, мг/кг почвы

доза молибдена, г/ц семян

а

б

1

2

3

4

5

6

50

0

0,69

0,37

1,06

1,86

30

0,63

0,35

0,98

1,80

50

0,77

0,45

1,22

1,71

НСР 0,05

0,04

0,06

–

–

150

0

0,76

0,39

1,15

1,95

30

0,67

0,31

0,98

1,72

50

0,76

0,39

1,15

1,95

НСР 0,05

0,09

0,06

–

–

300

0

0,78

0,51

1,29

1,53

30

0,51

0,26

0,77

1,96

50

0,55

0,28

0,83

1,96

НСР 0,05

0,04

0,06

–

Выявлено, что применение молибдена при дозе 30 г/ц семян не оказало положительного влияния на содержание хлорофилла в проростках пшеницы. Наблюдалось снижение содержания суммы хлорофиллов (а + б) за счет уменьшения содержания и хлорофилла а и хлорофилла б при всех уровнях азотного питания. Следует отметить, что с увеличением дозы азота содержание суммы хлорофилла (а + б) уменьшалось в большей степени за счет снижения содержания хлорофилла б.

Применение молибдена в дозе 50 мг/ц семян оказывало положительное влияние на содержание зеленых пигментов в трехнедельных проростках пшеницы. Однако действие молибдена зависело от уровня азотного питания. Наибольшая эффективность молибдена была получена при низкой дозе азота (N₁). Величина суммы хлорофиллов (а + б) в этом варианте возросла на 15% (до 1,22, против контроля 0,78) за счет увеличения содержания хлорофилла а на 11%, а хлорофилла б на 22%. Это привело к смещению соотношения хлорофилла а и хлорофилла б в сторону увеличения последнего в структуре хлорофиллового комплекса, что могло послужить увеличению относительного числа фотосистем 2. С увеличением уровня азотного питания эффективность молибдена снижалась. При средней дозе азота (N₂) молибден не изменял содержание хлорофилла в листьях растений.

Следует отметить, что при высокой дозе азота (N₃) применение молибдена в дозе 50 мг/ц семян так же, как и при дозе 30 мг/ц семян, способствовало снижению относительного содержания хлорофилла а и хлорофилла б, однако доля хлорофилла б в структуре хлорофиллового комплекса возрастала. В этих вариантах соотношение хл.а/хл.б увеличивалось до 1,96 по сравнению с контролем (1,53) в результате резкого уменьшения доли хлорофилла б почти в 2 раза. Это свидетельствует о перестройке фотосинтетического аппарата листьев растений, в результате чего увеличивается доля фотосистемы 1.

Таким образом, можно сделать вывод, что эффективность молибдена зависела от дозы молибденово-кислого аммония и уровня азотного питания. Доза молибдена из расчета 50 мг/ц семян для обработки семян проявляла наибольшую эффективность на содержание хлорофилла при низком уровне азота. Наилучшая структура хлорофиллового комплекса была получена на фоне высокого обеспечения растений азотом при обеих дозах молибдена.

Известно, что фотосинтетическая деятельность растений определяет их биологическую продуктивность. Лист, являясь основным органом фотосинтеза, представляет собой центр образования ассимилятов и метаболизма, а также их донор в репродуктивные органы. При изучении влияния молибдена на рост и развитие растений представляет интерес оценка суммарных показателей фотосинтетической деятельности ассимиляционного аппарата, а также изучение донорно-акцепторных отношений, складывающихся между колосом и ассимилирующим аппаратом в период формирования зерна.

Для оценки фотосинтетической деятельности растений пшеницы рассчитывали: удельную поверхностную плотность листьев (УППЛ) мг/см ², определяемую отношением массы листьев к площади и показывающую эффективность работы листьев в изучаемых условиях; фотосинтетический потенциал (ФП) м ²/сутки, характеризующий величину и продолжительность работы листьев, который рассчитывали путем суммирования ежедневных показателей площади листьев за весь вегетационный период, интегрируя величину и длительность работы ассимиляционной поверхности; продуктивную работу листьев (ПРЛ) г/м ²/сутки, определяемой количеством массы зерна (г) на единицу ФП; коэффициент хозяйственной эффективности фотосинтеза (Кхоз)%, отражающий долю биомассы зерна в общей биомассе растений; отношение площади листьев к массе колоса (Sлистьев/Мколоса).

Для характеристики донорно-акцепторных отношений, складывающихся в растении в различных условиях выращивания, рассчитывали следующие соотношения: массы колоса к массе листьев (Мкол/Млистьев); массы колоса