Технические культуры и секвестрация. Рубрика в журнале - Сельскохозяйственная биология
Культивирование Miscanthus sacchariflorus в Сибири: применение азотных удобрений
Статья научная
Многолетние энергетические растения, в том числе мискантус (Miscanthus spp.), культивируют в промышленных масштабах для производства биоэнергии и технических целей. Установлено, что даже при низких затратах возможна высокая продуктивность культуры. В России проблема выращивания мискантуса для получения биомассы слабо разработана, а особенности применения удобрений под эту культуру практически не исследованы. Мискантус - для Сибири культура новая. Проблема применения удобрений под посадками мискантуса остается недостаточно изученной из-за разнообразия климатических и почвенных условий, а также видовых особенностей культуры. При этом основная часть публикаций посвящена виду M. giganteus, который отличается от вида M. sacchariflorus по строению корневой системы. В настоящей работе для условий Сибири впервые представлены многолетние экспериментальные данные по комплексу проблем, связанных с применением азотных удобрений под мискантусом. Установлено, что последние, не влияя на урожайность, снижают качество сырья из-за повышения доли листьев в фитомассе и увеличения пораженности корневищ фузариозной инфекцией. Также установлено снижение накопления органического вещества в удобренных почвах в сравнении с неудобренными. Цель настоящей работы - определить целесообразность применения азотных удобрений под многолетними посадками мискантуса, культивируемого для получения биомассы в континентальных условиях Сибири, в частности оценить влияние удобрений на урожайность культуры, пораженность растений фитопатогенами, динамику органического вещества в почве. Исследования провели на территории научно-экспериментальной базы СибНИИРС - филиал ИЦиГ СО РАН (Новосибирская обл., Центральная лесостепь Новосибирского Приобья). Влияние азотного удобрения на величину и структуру урожая Miscanthus sacchariflorus сорта Сорановский оценивали в начальный период формирования плантации (2016-2017 годы) и в период ее зрелости (2018-2022 годы). Плантация общей площадью 0,3 га состояла из 4 блоков, каждый из которых включал варианты с дозами удобрений N0, N30, N60, N90, N120 на фоне Р60К30 в 4-кратной повторности. Азотные удобрения в виде аммиачной селитры вносили ежегодно весной. В качестве посадочного материала использовали корневища M. sacchariflorus. Надземную фитомассу отбирали на площадках размером 0,25 м2. Учет подземной фитомассы проводили методом монолитов в стадии отмирания надземной части растений. Визуально оценивали степени зараженности отмытых корневищ по стандартным и модифицированным шкалам. Накопление общего углерода (Сорг.) учитывали, сравнивая показатель в почве под паром (исходная почва) и под 8-летней плантацией мискантуса (2023 год). Количество накопленного мобильного почвенного органического вещества (ПОВ) за период роста мискантуса определяли по результатам сравнения продукции С-СО2 образцами почв, отобранными под многолетними посадками мискантуса и однолетним паром (исходная почва). Интенсивность накопления нитратного азота в почве анализировали в условиях лабораторного опыта в оптимальных гидротермических условиях по общепринятому методу Кравкова. За 6-7-летний период посадок M. sacchariflorus сорта Сорановский запас надземной фитомассы достиг в среднем 12,0 т/га, подземной - 18,0 т/га. Эти показатели близки к средним, характерным для этого вида в мире. Азотное удобрение, не оказывая влияния на накопление фитомассы, способствовало изменению ее структурных элементов. В период формирования плантации под влиянием азотного удобрения наблюдали снижение длины генеративного побега в среднем на 5 %, числа и биомассы метелок на 35 %, повышение облиственности на 9 % в сравнении с вариантом без удобрений. В период зрелости плантации отклонения от контроля приобрели более выраженный характер, особенно при дозах удобрений выше N60. В вариантах опыта с внесением азотных удобрений наблюдали повышение пораженности корневищ грибной инфекцией (15,5 против 7,7 % без удобрений). Основными возбудителями были грибы рода Fusarium - F. oxysporum и F. graminearum . За 8 лет в почве под плантацией мискантуса ежегодно накапливалось 150-200 кг С/га мобильного ПОВ и около 0,05 % общего углерода, что соответствует показателям, характерным для традиционных многолетних трав. Скорость накопления углерода в почве не росла по мере увеличения возраста плантации. Внесение N120 привело к снижению величины накопления мобильного ПОВ примерно на 50 % в сравнении с фоном без удобрений (104 против 220 кг С/га в год при N0). Осенью в период отмирания надземной фитомассы содержание минерального азота в почве во всех вариантах опыта было низким. При этом минерализационный потенциал почвы возрастал по мере увеличения дозы азота. Таким образом, азотные удобрения не способствовали повышению урожайности M. sacchariflorus при выращивании на агросерой почве Приобья, приводили к увеличению пораженности корневищ фузариозной гни-лью и снижали темпы накопления органического вещества в почве.
Бесплатно
Статья научная
Глобальное изменение климата Земли и вызванные им экологические, экономические и социальные риски связывают с накоплением в атмосфере парниковых газов, особенно СО2. В качестве эффективного способа снижения (секвестрации) содержания СО2 в воздухе рассматривается использование растений-суперпоглотителей СО2, из которых в последнее время наибольшее внимание привлекает техническая конопля Cannabis sativa L. Для этой культуры характерен быстрый рост, устойчивость к факторам окружающей среды, низкие затраты при культивировании и многоцелевое использование получаемой биомассы в качестве сырья для различных отраслей промышленности. В России в настоящее время отсутствуют программы и регламенты применения технической конопли для секвестрации СО2 атмосферы. При разработке таких программ следует учитывать способность растений изменять состав и функциональную активность почвенной микробиоты, что, в свою очередь, может повлиять на скорость роста растений, показатели почвенного плодородия, эмиссию СО2 почвенным покровом. Кроме того, важно определить, сохранится ли высокая эффективность секвестрации СО2 в экосистеме растения-почва-микроорганизмы в условиях глобального повышения температур и как при этом изменится состояние почвы и ее микробной компоненты. Для этих целей в модельном опыте в условиях вегетационного домика мы оценили воздействие температур (15 °С - характерна для вегетационного сезона в средней полосе России, тогда как 20 °С и 30 °С - повышенные температуры) на рост технической конопли и содержание хлорофилла, накопление углерода в почве под растениями, биоразнообразие и функциональную активность почвенной микробиоты, в частности на способность микроорганизмов разлагать углеродсодержащие субстраты, оцененное с помощью системы Biolog EcoPlates™. Все измерения, кроме количества углерода в почве, морфометрических характеристик растений конопли и содержания хлорофилла, выполняли в динамике - на 7-е, 28-е, 56-е и 98-е сут (в среднем продолжительность сезона вегетации в средней полосе России). Содержание углерода в почве под растениями определяли в 1-е и на 98-е сут, хлорофилла - на 28-е, 56-е и 98-е сут, морфометрические измерения выполняли на 98-е сут (окончание эксперимента). Исследования проводили с 14 марта по 19 июня в оранжерее ФГАОУ ВО К(II)ФУ (г. Казань) в 2023 году. Результаты исследования показали, что техническая конопля демонстрирует максимальный рост как надземной, так и подземной частей при температуре 30 °С, где высота растений составила 64,57 см, а корней - 25,27 см. В сравнении с температурой 20 °С, где наблюдались минимальные показатели (36,70 см и 14,36 см соответственно), рост при 30 °С оказался на 76 % выше (p 0,05). Установлено, что при одной и той же температуре образцы с почвой без конопли и с коноплей достоверно не различались по почвенной микробной биомассе: при 15 °С анализируемый показатель составил соответственно 0,92-0,64 и 0,96-0,62 мг/кг, при 20 °С - 1,92-0,84 и 1,74-1,03 мг/кг, при 30 °С - 3,58-2,06 и 3,08-2,24 мг/кг (p > 0,05). Повышение температуры приводит к увеличению микробной биомассы как при отсутствии, так и при наличии растений (3,58 и 3,08 мг/кг на 7-е сут, соответственно, р 0,05). Однако на 7-е сут повышение активности микроорганизмов отмечено в образцах с растениями, особенно при температуре 20 °С и 30 °С (1,23; 0,89; p общ. и Сорг. в почве изменялось в пределах ошибки и не зависело от присутствия растений или температуры (p > 0,05). Таким образом, показано, что у конопли при повышении температуры в период вегетации увеличивается длина надземных и подземных частей растения, что приводит к повышению эффективности секвестрации углерода атмосферы. При этом в почве изменяется количество микробной биомассы, а метаболическая активность микроорганизмов повышается уже на 7-е сут эксперимента. Представленная модельная система может использоваться для оценки эффективности секвестрации и состояния функциональных групп почвенного микробного сообщества при разработке программ выращивания технической конопли C. sativa в качестве растения-суперпоглотителя, в том числе при повышенных температурах, когда важно сохранить разнообразие почвенного микробиоты.
Бесплатно
Статья научная
Грибы и вирусы, вызывающие болезни растений, становятся причиной значительного снижения урожайности картофеля. Симптомы инфекционных болезней различаются в зависимости от типа заражения. Гриб Alternaria solani Sorauer - возбудитель альтернариоза, или сухой пятнистости картофеля, образует на листьях вначале очень мелкие, а затем разрастающиеся концентрическими кольцами некрозы. Один из распространенных вирусных возбудителей заболеваний картофеля вирус М (potato virus M, PVM) вызывает деформацию листьев в виде скручивания и морщинистости. Во многие клеточные процессы при инфицировании вовлечены биологические мембраны, представляющие собой важные составляющие растительных клеток. В настоящем исследовании впервые установлены сходства и различия структурно-функциональных изменений в листьях картофеля при инфицировании вирусом М и грибом A. solani. Цель работы состояла в оценке изменений структуры тканей, хлоропластов, липидного профиля мембран и окислительно-восстановительного потенциала листьев картофеля при инфицировании вирусом М и грибом Alternaria solani . Среднеранний сорт картофеля Тана выращивали на опытном поле Самарского НИИ сельского хозяйства им. Н.М. Тулайкова (Самарская обл.) в 2022-2023 годах. Клубни растений высаживали во II декаде мая в четырех повторностях по 50 растений в каждой. Картофель выращивали без орошения и внесения удобрений при естественном освещении. Листья отбирали в начале цветения растений на естественном фоне заражения. Диагностику фитопатогенов осуществляли в полевых условиях визуально, затем подтверждали методом ПЦР. Образцы включали незараженные листья (контроль), а также пораженные латентным вирусом М и грибом A. solani . Для определения морфологических параметров листа отбирали высечки из свежих листьев с 3-4 растений и фиксировали в 3,5 % растворе глутарового альдегида в стандартном фосфатном буфере (рН 7,4). Параметры листа - структурные характеристики мезофилла, число устьиц, число и размеры хлоропластов - определяли с помощью микроскопа B-500TPL («Optika S.r.l.», Италия), оснащенного камерой С-P20. Для биохимических анализов собирали свежие листья, объединяли в общую массу для каждого опытного варианта, формировали три навески по 0,5-1,0 г и до проведения аналитических работ хранили их в жидком азоте. Физиологические и биохимические методы включали определение сухой массы листа, количества фотосинтетических пигментов, белков, липидов и жирных кислот, продуктов перекисного окисления липидов и низкомолекулярных антиоксидантов. Установлено, что вирус M вызывал деформацию листьев, а A. solani - некроз тканей. Внутренняя архитектура листьев, пораженных патогенами, характеризовалась плотным сложением губчатой паренхимы, меньшим межклеточным пространством, изменением структуры хлоропластов. Выявлено снижение количества фотосинтетических пигментов (хлорофиллы a и b, каратиноиды) в листьях, особенно при действии A. solani , в 1,7-2 раза. Установлена специфичность влияния инфекций на окислительно-восстановительный потенциал и состояние мембран: под воздействием A. solani уровень маркера окислительных процессов малондиальдегида (МДА) повышался с 0,18 до 0,37 мкмоль/г сухой массы, концентрация свободного пролина снижалась c 10 до 1,6 мкг/г сухой массы (примерно в 5 раз), водорастворимых фенольных соединений - с 128 до 95,0 мг/г сухой массы (в 1,4 раза). Вирус М не оказывал влияния на содержание МДА, но вирусная инфекция приводила к снижению количества мембранных белков на 35 %. При заражении A. solani выявлено уменьшение индекса ненасыщенности жирных кислот липидов с 1,8 до 1,5.
Бесплатно
Физиолого-биохимические свойства лабораторных мутантов грибов Fusarium, резистентных к флудиоксонилу
Статья научная
Фузариоз зерновых культур - вредоносное заболевание, вызываемое несколькими видами грибов Fusarium . Один из наиболее распространенных патогенов - гриб Fusarium graminearum , поражение которым приводит к загрязнению зерна микотоксинами, в том числе дезоксиниваленолом (ДОН) и зеараленоном (ЗЕН), опасными для здоровья человека и животных. В последнее время все чаще в возделываемом зерне обнаруживают гриб F. proliferatum , продуцирующий фумонизины (ФУМ). Обычно при защите растений от патогенов используются фунгициды, однако они могут приводить к развитию резистентности у грибов Fusarium и изменению их свойств, что увеличивает риск снижения эффективности защитных мероприятий и, как следствие, загрязнения зерна микотоксинами. В представленной работе впервые определена чувствительность генетически охарактеризованных штаммов двух видов F. graminearum и F. proliferatum , выделенных из зерна, к флудиоксонилу (ФДО) и получены лабораторные мутанты грибов, резистентные к этому действующему веществу (д.в.). Также впервые установлены достоверные отличия лабораторных мутантов F. graminearum и F. proliferatum от исходных штаммов по скорости роста, патогенности для пшеницы и токсинопродуцирующей способности. Целью работы был сравнительный анализ физиолого-биохимических свойств коллекционных штаммов грибов Fusarium graminearum и F. pro-liferatum и полученных из них в лабораторных условиях мутантов, резистентных к ФДО. Объектами исследования стали 16 моноконидиальных штаммов грибов Fusarium различного происхождения, идентифицированных по морфологическим признакам как F. graminearum и F. proliferatum , из коллекции Всероссийского НИИ защиты растений (MFG) (ВИЗР, г. Санкт-Петербург, Россия). Для проведения экспериментов штаммы предварительно выращивали на картофельно-сахарозной агаризованной среде (КСА) при 25 °С в темноте. Для молекулярно-генетической идентификации грибов секвенировали фрагмент гена фактора элонгации трансляции EF-1a (tef). В исследовании использовали фунгицид Максим, КС («Syngenta AG», Швейцария), содержащий 25 г/л ФДО, который разводили в стерильной воде до концентрации 5 г/л д.в. Для получения мутантов исходные штаммы Fusarium последовательно культивировали на КСА, содержащем увеличивающиеся концентрации фунгицида. При определении чувствительности грибов к ФДО его концентрации в питательной среде для исходных штаммов составляли 5; 0,5; 0,05 и 0,005 мг/л, для мутантов - 250; 50; 5 и 0,5 мг/л. Из колоний штаммов, выращенных на КСА, вырезали диски диаметром 4 мм и помещали на поверхность питательной среды в центр пластиковой чашки Петри диаметром 85 мм. В контрольном варианте диск помещали на поверхность КСА без добавления фунгицида. Через 3 и 5 сут инкубации соответственно штаммов F. graminearum и F. proliferatum определяли средний диаметр колонии гриба, вычитая диаметр инокуляционного диска. Концентрацию фунгицида, приводящую к 50 % подавлению роста (полумаксимальное ингибирование; IC50) рассчитывали с помощью программы Quest Graph™ IC50 Calculator. Для оценки влияния температуры на скорость роста грибы культивировали при 25 °С и 35 °С в темноте в термостате Innova 44R («Eppendorf», Германия), измеряя диаметр колоний: для F. graminearum соответственно на 3-и и 7-е сут, для F. proliferatum - на 5-е и 7-е сут. Скорость роста определяли как отношение диаметра колонии к числу суток культивирования (мм/сут). Патогенность штаммов оценивали посредством инокуляции отрезков листьев пшеницы (Triticum aestivum L.) сорта Васса. Для изучения токсинообразования штаммы грибов выращивали на автокловированном зерне пшеницы. Количество ДОН и ЗЕН в культурах F. graminearum и ФУМ в культурах F. proliferatum определяли с помощью аттестованных коммерческих иммуноферментных тест-систем (ВНИИВСГЭ, Россия). При культивировании на КСА без фунгицида диаметр колоний исходных штаммов F. graminearum варьировал от 34 до 52 мм на 3-и сут, а исходных штаммов F. proliferatum - от 48 до 64 мм на 5-е сут. Концентрации флудиоксонила (IC50), приводящие к полумаксимальному ингибированию роста мутантов F. graminearum и F. proliferatum , оказались соответственно в 900-60000 и 6-458 раз выше значений IC50 для исходных штаммов. Два штамма F. proliferatum изначально показали высокую резистентностью к ФДО и образовывали ФУМ в количестве, которое в 6 и 22 раза превышало средний показатель для исходных штаммов этого вида. Средняя скорость роста у лабораторных мутантов F. graminearum и F. proliferatum при 25 °С составила соответственно 17,2±1,0 и 12,8±0,2 мм/сут и оказалась на 2,6 и 1,6 мм/сут больше, чем средние показатели у исходных штаммов этих видов грибов. Шесть лабораторных мутантов F. graminearum были патогенными для пшеницы, и при инокуляции на отрезках листьев появлялись некрозы длиной от 14±3 до 44±1 мм, что оказалось в среднем в 1,6 раза меньше, чем у исходных штаммов гриба, тогда как два мутанта F. graminearum не вызывали некрозы в отличие от исходных культур.
Бесплатно
Статья научная
Ежегодные потери урожая от болезней картофеля составляют до 30 %. В частности, ризоктониоз может привести к снижению продуктивности культуры на 20-25 %, альтернариоз - до 40 %. Получение высоких урожаев возможно только при применении средств защиты картофеля. Одним из них может быть использование наночастиц (НЧ) микроэлементов. В настоящей работе впервые созданы нанобиопрепараты, представляющие различные композиции НЧ Fe, Zn, Cu, Мо, Mg, Mn и В в составе полимеров для предпосадочной обработки клубней картофеля. Установлено, что НЧ микроэлементов эффективно защищают растения картофеля в течение всего вегетационного периода, и это позволяет снизить распространенность и степень развития фитопатогенов. Нашей целью было сравнение влияния предпосадочной обработки клубней препаратами, содержащими различные композиции наночастиц металлов в составе полимеров, на пораженность картофеля альтернариозом и ризоктониозом. НЧ металлов были получены методом высокотемпературной конденсации на установке Миген-3 (ФИЦ химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, Россия). Использованные нами НЧ Fe, Zn, Cu, Мо, Mg, Mn и В представляли собой монокристаллические структуры сферической формы с оксидной пленкой на поверхности, которая формировалась в результате пассивации частиц воздухом для снижения пирофорности НЧ. При приготовлении препаратов навеску НЧ металлов диспергировали в воде на ультразвуковом дезинтеграторе Scientz JY 92-IIN («Scientz Biotechnology», Китай). Полученные суспензии вносили в раствор смеси полимеров 0,5 % натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы, 1 % полиэтиленгликоля-400 и натриевой соли диэтилдиаминотетрауксусной кислоты (0,00000375 %). Добавляли фунгицид Максим («Syngenta AG», Швейцария). Полученный раствор озвучивали и проводили предпосадочную обработку клубней картофеля ( Solánum tuberósum L.) сорта Сантэ. Всего были созданы пять нанобиопрепаратов (НБП), содержащих одинаковое количество полимеров, в которые вводили НЧ микроэлементов: НБП 1 - НЧ Zn (0,01 %) + НЧ Cu (10-8 %) + НЧ Fe (10-6 %) + НЧ Mo (10-8 %); НБП 2 - НЧ Zn (10-4 %) + НЧ Cu (10-8 %) + НЧ Fe (10-8 %) + НЧ Mo (10-8 %); НБП 3 - НЧ Cu (10-9 %) + НЧ B (10-6 %) + НЧ Mo (10-7 %) + НЧ Mg (10-6 %); НБП 4 - НЧ Cu (10-9 %); НБП 5 - НЧ Mn (10-6 %). Экспериментальное поле (ФГБНУ ФИЦ картофеля им. А.Г. Лорха) находилось в типичных условиях для Центрального региона России (Люберецкий р-н Московской обл.). Почва опытного поля - дерново-подзолистая супесчаная. Посадку картофеля осуществляли в I декаде мая в 2018, 2019, 2020 и 2021 годах. Посадочные клубни опрыскивали с помощью ранцевого распылителя («Kwazar Corporation Sp. z o.o.», Польша) с нормой расхода рабочей жидкости из расчета 10 л/т. Учитывали распространенность альтернариоза (возбудитель Alternaria solani Sorauer) и ризоктониоза (возбудитель Rhizoctonia solani J.G. Kuhn) картофеля, а также степень развития альтернариоза. Применение НБП 1 в 2018 и 2019 годах уменьшило распространенность альтернариоза по сравнению с контролем соответственно на 54,0 и 56,5 %, а степень поражения - на 58,4 и 62,0 %. НБП 2 в 2019 году снизил распространенность альтернариоза на 47,5 %, степень поражения - на 44,0 %. Установлено, что применение НБП 3, НБП 4 и НБП 5 в 2021 году привело к уменьшению распространенности альтернариоза у картофеля в среднем на 25 %, степени поражения - на 42 % по сравнению с контролем. При изучении распространенности ризоктониоза показано, что НБП 1 в 2018 году способствовал снижению этого показателя на 15,0 %, в 2019 году - почти в 3 раза (как и НБП 2). Применение НБП 5 (2021 год) уменьшало поражение этой болезнью на 22,0 % по сравнению с контролем, НБП 3 - на 50,0 %, НБП 4 - на 72,0 %. Наиболее перспективным нанобиопрепаратом для уменьшения степени поражения альтернариозом картофеля и подавления распространения альтернариоза и ризоктониоза представляется комбинированный нанобиопрепарат НБП 1, содержащий в составе НЧ Zn, Cu, Fe и Mo, введенные в гидрофильную полимерную пленку. Установлено, что в клубнях нового урожая не происходило накопления элементов, используемых в виде НЧ в НБП, что свидетельствуют об экологической безопасности препаратов НЧ.
Бесплатно
