Микроэлементы в растениях сои и пшеницы Дальневосточного региона

Введение. Соя и пшеница относятся к важнейшим возделываемым зерновым культурам Дальневосточного региона. Занимая основную часть посевных площадей, эти растения являются первичным пищевым источником различных соединений и микроэлементов для человека. Микроэлементы, несмотря на низкие концентрации, принимают активное участие во всех жизненно важных биохимических процессах. Несбалансированное содержание микроэлементов ведет к возникновению эндемичных заболеваний. Последствия нарушения микроэлемент-ного состава четко просматриваются по всем этапам трофических связей от растений и животных до человека. Так, при недостатке микроэлементов у человека могут возникнуть любые заболевания от обычного насморка до онкологии.

Содержание микроэлементов в растениях зависит от физиологических потребностей и экологических условий произрастания. В естественных, природных биоценозах микроэлементный состав растений определяется не только уровнем концентрации, но, и соотношением каждого отдельного микроэлемента с другими составляющими и подтверждает идею о химическом составе растений как о систематическом признаке [8]. Микроэле-ментная специализация растений в условиях агрофитоценозов в значительной степени корректируется использованием различных видов удобрений [2; 4]. Удобрения являются дополнительным источником микроэлементов для растений и оказывают мобилизующее и инактивирующее действия на микроэлементы, содержащиеся в почве. При повышенном содержании некоторые микроэлементы оказывают токсичное воздействие на растительные организмы, что приводит к сокращению продуктивности экосистем и существенно ухудшает качество урожая сельскохозяйственных культур.

Цель работы – изучение содержания микроэлементов в растениях сои и пшеницы в зависимости от генетических особенностей и экологической обстановки.

Материалы и методы. Определение уровня концентрации микроэлементов проводилось на растительном материале сои и пшеницы двух длительных полевых опытов, заложенных на разных типах почв и с разным насыщением севооборотов удобрениями: 1) соя (сорт Гармония 106), выращена на лугово-черноземовидных почвах стационара ВНИИ сои г. Благовещенска, дозы удобрений за одну ротацию: навоз 24 т/га + N 150 P 165 K 120 д.н./га; 2) соя (сорт Приморская 69) и пшеница (сорт Приморская 40), выращены на лугово-бурых почвах агрохимического стационара Приморского НИИСХ г. Уссурийска, дозы удобрений за одну ротацию: навоз 40 т/га + известь 5,2 т/га +

N 150 P 200 K 150 д.н./га. Постановка эксперимента в полевых условиях проводилась на делянках площадью 25 м², в 3-кратной повторности с использованием зональной системы агротехнического возделывания. Учет урожая поделяночный сплошной. Определение микроэлементного состава (Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Pb) выполнено на энергодисперсионном рентгенофлуоресцентном спектрометре EDX-800 ("SHIMADZU", Япония).

Результаты и обсуждение. В растительных тканях пшеницы и сои, несмотря на совершенно разную физиологию и условия произрастания, концентрация Mn, Zn, Cr и Cu выше содержания остальных исследованных элементов (табл. 1). Zn, Mn, Cu относят к «элементам жизни», их физиологическая роль связана прежде всего с участием в ключевых метаболических процессах (дыхание, фотосинтез, углеводный и белковый обмен и т. п.).

Таблица 1

Содержание микроэлементов в растениях (мг/кг сухой массы)

Элемент	Пшеница		Соя (Приморский край)		Соя (Амурская область)
	без удобрений	NPK + навоз + известь	без удобрений	NPK + навоз + известь	без удобрений	NPK + навоз
Mn	103,4	107,2	89,3	98,9	106,1	105,2
	± 3,1	± 4,0	± 2,4	± 2,7	± 2,8	± 4,1
Zn	47,6	48,1	66,6	64,4	79,5	67,7
	± 0,9	± 0,6	± 1,1	± 1,6	± 3,0	± 2,2
Ni	4,8	4,9	18,4	18,9	17,4	14,7
	± 0,1	± 0,3	± 1,0	± 0,8	± 0,8	± 0,7
Co	1,9	2,0	1,3	1,6	0,8	0,9
	± 0,4	± 0,3	± 0,3	± 0,3	± 0,1	± 0,1
Pb	2,2	4,5	3,3	3,9	2,6	5,7
	± 0,4	± 0,7	± 0,5	± 0,4	± 0,3	± 0,3
Cr	26,6	27,7	32,9	41,0	40,2	35,4
	± 1,2	± 0,9	± 1,4	± 1,7	± 1,2	± 1,2

Роль Cr в жизни растений полностью не раскрыта, имеются лишь некоторые сведения о связи его с белковыми молекулами и о весьма изменчивых уровнях концентрации, что определяется характером растительной ткани и стадией роста [6; 7].

Отличительной особенностью микро-элементного состава сои является величина содержания Ni, которая оказалась в

3–4 раза выше, чем в пшенице, а также концентрация Zn, Cu, превышающая содержание во второй исследуемой культуре в 1,5–2 раза.

В свою очередь растения пшеницы содержат больше Co, что связано со специфической ролью отдельных элементов в жизни бобовых и злаковых культур. Ni в растениях образует комплексы с органическими соединениями, имеющими молекулярную массу от 1 до 5 кД и общий отрицательный заряд [1]. Установлена исключительная роль никеля (Ni) в составе фермента уреазы, где элемент необходим для стабилизации структуры фермента и проявления каталитической активности [13; 15]. Это указывает на возможность потребления Ni клубеньковыми бактериями, следовательно, и на увеличение содержания в биомассе бобовых культур. Медь (Cu) активизирует процессы связывания атмосферного азота, участвует в восстановлении NO3, способствует синтезу и обмену белковых веществ [1]. Соя по отношению к Zn относится к средне чувствительным культурам, его значение для роста растений тесно связано с участием в разнообразных метаболических процессах в составе Zn-содержащих ферментов и белков. Белки, называемые «цинковые пальцы», необходимы растениям для защиты от стрессовых воздействий [12]. Несколько необычным оказалось поведение Co, физиологическая роль которого, как известно, проявляется в усилении азотфиксации, повышении содержания хлорофилла в листьях и витамина В12 в клубеньках. Необходимость Co для бобовых давно установлена и отражена в ряде работ [10; 11; 14]. В исследуемых растениях содержание элемента в биомассе сои в 1,5–2 раза меньше по отношению к его концентрации в биомассе пшеницы. Изучение распределения Co по различным органам сои выявило резкое снижение содержания в надземной части растений (0,3 мг/кг) до минимальных значений в ассимилятивных органах (0,05 мг/кг). При этом изначальная концентрация Co в корнях сои оказалась выше содержания в корневой зоне пшеницы на 25–30 %. Ключевая роль Co в метаболизме таких растений, как пшеница связана со стимулированием репродукции листьев и концентрированием хлоропластов и пигментов в них [1]. Картина распределения Co по разным частям пшеницы иная, при пониженном (по отношению к сое) содержании элемента в корнях уровень концентрации в стеблях снижается не более чем на 40 %, в зерне снова увеличивается и приближается к содержанию в подземной части. Можно сделать предположение об исключительной роли Co в жизнедеятельности злаковых культур или о большей толерантности сои к данному элементу. Для Pb отмечено 1,5–2-кратное увеличение содержания в биомассе сои. В отношении Pb не существует каких-либо сведений, раскрывающих его биологическую роль, однако имеются сообщения о стимулирующем действии низких концентраций некоторых солей Pb на рост растений [5; 9]. Сравнивая содержание Pb в растениях, выращенных на двух разных типах почв, подтверждается тенденция накопления Pb культурой сои. Подобное явление, вероятнее всего, связано с генетическими особенностями растений сои или их повышенной чувствительностью к содержанию рассматриваемого элемента в питательной среде.

В большинстве случаев в растениях, выращенных на удобряемых делянках, отмечается увеличение содержания микроэлементов во фракциях зерна, бобов и стеблей, что указывает на рост пропускной способности растительных тканей. В биомассе всех растений, выращенных на удобряемых делянках, увеличивается концентрация Pb и Cd, в растениях сои к этим элементам добавляется Cu (табл. 2).

Это может быть связано не только с увеличением содержания подвижных форм элементов в почве, но и с влиянием удобрений на создание наиболее благоприятных условий, способствующих активному поглощению данных элементов растениями. На преимущественное поступление элементов с удобрениями указывает увеличение содержания в корнях на 13–35 %. Обращает внимание факт небольшого увеличения, в отдельных случаях даже снижения содержания рассматриваемых элементов в генеративных органах, в основе которого лежит генетически обусловленное стремление организма сохранить в репродуктивных органах нормальные качественно-количественные пропорции элементов [6]. Исключение составляет соя Амурской области, где содержание Pb и Cd в бобах увеличивается в 2 и более раз.

Таблица 2

Поступление Pb, Cu и Cd в различные органы растений при внесении удобрений (% к контролю)

Анализируемый объект	Пшеница			Соя (Приморский край)			Соя (Амурская область)
	Cu	Pb	Cd	Cu	Pb	Cd	Cu	Pb	Cd
Корни	-	16	13	16	15	26	18	30	35
Стебли	-	70	50	9	17	23	8	28	60
Листья	-	-	-	-	-	-	-	36	17
Полова, створки бобов	-	91	14	-	11	50	15	90	80
Зерно, бобы	-	-	14	3	10	18	-	50	60

Вариабельность микроэлементного состава сои и пшеницы и различия почвенно-экологических условий произрастания показывают, что растения, выращенные на лугово-бурой почве, более устойчивы к избыточному поступлению микроэлементов. Начальным этапом формирования своеобразного защитного механизма и мощным биологическим барьером для микроэлементов являются корни. Важениным (1984) было предложено использовать коэффициент аккумуляции (Ка) (соотношение между содержанием микроэлементов в корнях и зерне) в качестве показателя уровня загрязненности почвы элементами и степени проявления защитных свойств растениями. Ка может быть принят как биоиндикатор ранней фазы загрязненности системы почва–растение. В растениях сои и пшеницы Ка максимальный у Cr (рисунок). Величина этого показателя также зависит от специфики самих растений: например, у бобовых Ка Mn (3,4-4,2) и Co (5,2-7,7) больше, чем у злаковых (КаMn 2,6-2,9; КаCo 1,0-1,3 ), которые в свою очередь отличаются большим Ка Ni (6,9-11,0) и Cu (1,5-1,7). Данные, приведенные на рисунке 1, показывают, что в результате многолетнего внесения удобрений у растений сои Амурской области происходит уменьшение Ка всех исследуемых микроэлемен- тов.

Рисунок – Изменение величины коэффициента аккумуляции различных культур при внесении удобрений.

Соя Приморского края вместе со снижением Ка большей части элементов обнаруживает небольшое увеличение по- казателя для Pb, Cr, Cu, Cd, у пшеницы также происходит нарастание Ка для Pb, Cr, Cd. Таким образом, в вариантах с внесением удобрений растения, выращенные в Амурской области полностью, а произрастающие в Приморском крае частично снижают мобилизацию защитных возможностей.

Представленный материал подтверждает существование биологических особенностей различных сельскохозяйственных культур в накоплении и распределении микроэлементов как в условиях их контрольного содержания, так и при интенсивном использовании минеральных и органических удобрений. Используя мик-роэлементный состав растительных организмов, можно более достоверно судить об их балансе в системе почва–растение и особенностях поглощения из почвы, что, в конечном счете, позволит определить ряд факторов, влияющих на их недостаток или избыток.

Выводы. 1. Микроэлементный состав двух сельскохозяйственных культур отличается разнообразием, обусловленным биологическими особенностями растений.

• 2.    Длительное применение удобрений ведет к повышению содержания в растениях таких токсичных элементов, как Pb, Cd, Cu и снижает защитные возможности растений.

• 3.    Элементы, поступающие при использовании удобрений, неравномерно распределяются по органам растений. В пшенице полова является зоной наибольшей аккумуляции Pb, в стеблях накапливаются Pb и Cd. В корнях растений сои увеличивается концентрация Cu. В бобах и створках бобов сои Амурской области повышается содержание Pb и Cd. В сое Приморского края максимальное содержание Cd отмечено в створках бобов, Pb – в стеблях.