Углеродные и кремнезольные наносоставы в защите ярового ячменя от болезней на северо-западе России
Автор: Шпанев А.М., Денисюк Е.С., Шилова О.А., Семенов К.Н., Панова Г.Г.
Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology
Статья в выпуске: 3 т.57, 2022 года.
Бесплатный доступ
Яровой ячмень ( Hordeum vulgare L.) - основная зернофуражная культура, ежегодно занимающая около 40 % посевных площадей на Северо-Западе России. В последние годы в мировой и отечественной науке обозначился явный интерес к использованию в защите растений наноматериалов и нанотехнологий, который обусловлен их уникальными свойствами и высокой эффективностью в низких концентрациях. В настоящей работе впервые показано влияние углеродных и кремнезольных наносоставов на семенную инфекцию, а также поражение растений ярового ячменя корневыми гнилями и листовыми болезнями. Показано, что более сильный защитный эффект проявился при применении наносоставов на сорте ярового ячменя Атаман с более длительным периодом вегетации и большей восприимчивостью к основным болезням. Впервые установлено наличие аддитивного эффекта при комбинированной обработке семян и вегетирующих растений наносоставами с химическими или биологическими фунгицидами с потенциальной возможностью снижения дозировки последних. Нашей целью было изучение эффективности новых композиций на основе углеродных и кремнезольных наноматериалов в защите ярового ячменя от болезней на Северо-Западе Российской Федерации. Исследования проводили на экспериментальной базе Меньковского филиала ФГБНУ АФИ (Гатчинский р-н, Ленинградская обл.) в 2017-2018 годах. На первом этапе исследований в 2017 году была изучена эффективность двух перспективных наносоставов для защиты ярового ячменя от корневых гнилей и листовых болезней. На разных по срокам вегетации сортах Ленинградский и Атаман были заложены два опыта - по обработке наносоставами посевного материала и вегетирующих растений. Кремнезольная композиция НКтэос была синтезирована по оригинальной золь-гель технологии (на основе кислотного гидролиза с последующей поликонденсацией тетраэтилового эфира ортокремниевой кислоты или тетраэтоксисилана, с добавками в золь растворов солей макро- и микроэлементов и допантов - шихты детонационного наноалмаза, легированной бором, или диоксида титана в форме анатаза). Подготовку наносостава на основе производных фуллерена с метионином или треонином осуществляли посредством растворения в воде соединений микроэлементов и добавления 0,001 % (при обработке семян) или 0,00001 % (при некорневой обработке) раствора аминокислотного производного фуллерена С60 с треонином или с метионином. Варианты опыта включали совместное применение наносоставов с химическими и биологическими фунгицидами, а также фунгицидов с кремнийсодержащим хелатным микроудобрением. Зараженность зерна фитопатогенами определяли с использованием питательных сред. Учет развития корневых гнилей проводили в фазы всходов, кущения, выхода в трубку и колошения, листовых болезней - в фазу начала колошения ячменя, далее через 10, 20 и 30 сут. На втором этапе исследований в 2018 году оценивали эффективность технологической схемы применения новых наносоставов в защите ярового ячменя сорта Ленинградский от болезней. Опыт включал два блока: с обработкой наносоставами семенного материала, с обработкой семян и вегетирующих растений. Показано, что изученные наносоставы в чистом виде оказались малоэффективны в защите ярового ячменя от корневых гнилей и листовых болезней. Снижение развития корневых гнилей на раннеспелом сорте Ленинградский не превышало 5,3 %, на сорте Атаман составляло 15,3-57,7 % (p 60 с метионином в большей степени проявляется за счет снижения семенной инфекции и первичных признаков заражения в период появления всходов ячменя. Наилучшим вариантом защиты ярового ячменя от болезней корневой системы и листового аппарата признана комбинированная обработка семян кремнезольным наносоставом и химическим фунгицидом Иншур Перформ, КС в сочетании с 3-кратной обработкой вегетирующих растений наносоставом на основе аминокислотного производного фуллерена С60 с треонином и однократной - химическим фунгицидом Зантара, КЭ. Снижение нормы применения химического препарата целесообразно только в условиях ожидаемого слабого проявления болезней. Высокую биологическую и хозяйственную эффективность, сопоставимую с результатом фунгицидной обработки со 100 % нормой применения препарата, обеспечивало комбинированное использование микроудобрения КХМ-Г и фунгицида (50 % норма применения), а также наносостава на основе аминокислотного производного фуллерена С60 с метионином и фунгицида (50 % норма применения).
Яровой ячмень, корневые гнили, листовые болезни, средства защиты растений, фунгициды, наноматериалы, фуллерен c60, аминокислотные производные, метионин, треонин, кремнезоли, тетраэтоксисилан, допанты, шихта детонационного наноалмаза, диоксид титана, анатаз
Короткий адрес: https://sciup.org/142236336
IDR: 142236336 | УДК: 632:546.26:631.8:581.1(470.2) | DOI: 10.15389/agrobiology.2022.3.441rus
Carbon and silica nanostructures in the protection of spring barley from diseases in the north-west Russia
Spring barley ( Hordeum vulgare L.) is the main grain fodder crop, annually occupying about 40 % of the sown area in the North-West Russia. In recent years, there has been a clear interest in the world and domestic science to use of nanomaterials and nanotechnologies in plant protection, which is due to their unique properties and high efficiency at low concentrations. In this work, for the first time, the effect of carbon and silica sol nanocompositions on seed infection, damage to spring barley plants by root rot and leaf diseases is shown. It was determined that a stronger protective effect was manifested when using nanocompositions on the spring barley variety Ataman with a longer growing season and more susceptible to major diseases. For the first time, an additive effect has been established that enhances the protective functions of chemical or biological fungicides with the possibility of reducing their dosage when combined with nanocomposites in the treatment of seeds and vegetative plants. Our goal was to study the effectiveness of new compositions based on carbon and silica sol nanomaterials in protecting spring barley from diseases in the North-West Russia. The studies were carried out at the experimental base of the Menkovsky branch of the Agrophysical research institute (Gatchinsky District, Leningrad Province) in 2017-2018. At the first stage of research in 2017, the effectiveness of two promising nanocompositions for the protection of spring barley from root rot and leaf diseases was studied. Two experiments were carried out on Leningradsky and Ataman varieties of spring barley with different vegetation periods: on the treatment of seed material and vegetative plants with nanocompositions. The silica sol composition of NKteos was synthesized according to the original sol-gel technology based on acid hydrolysis followed by polycondensation of tetraethyl ester of orthosilicic acid or tetraethoxysilane, with the addition of macro- and microelements salts solutions and dopants - a charge of detonation nanodiamond doped with boron, or a titanium dioxide in the form of anatase to the sol. Preparation of a nanocomposition based on fullerene derivatives with methionine or threonine was carried out by dissolving microelement compounds in water and adding 0.001 % (for seed treatment) or 0.00001 % (for foliar treatment) solution of the amino acid derivative of C60 fullerene with threonine or with methionine. Experiment variants also included the combined use of nanocompositions with chemical and biological fungicides, as well as fungicides with silicon-containing chelated microfertilizer. Grain contamination with phytopathogens was determined using nutrient media. The development of root rot was t assessed in the phases of germination, tillering, budding and heading, leaf diseases - in the beginning of barley earing, then in 10, 20 and 30 days. At the second stage of research in 2018, the effectiveness of the technological scheme for the use of new nanocompositions in the protection of spring barley of the Leningradsky variety from diseases was evaluated. The experiment included two blocks: the treatment with nanocompositions of seeds, the treatment of seeds and vegetative plants. It is shown that the studied nanocompositions in their pure form turned out to be ineffective in protecting spring barley from root rot and leaf diseases. The decrease in the development of root rot on the early ripe variety Leningradsky did not exceed 5.3 %, on the variety Ataman it was 15.3-57.7 % (p 60-methionine derivative is more apparent due to a decrease in seed infection and primary signs of infection during the emergence of barley seedlings. The most effective for the protection of spring barley from root and leaf diseases was the combined treatment of seeds with a silica sol nanocomposition and the chemical fungicide Insure™ Perform, KS, followed by a triple treatment of vegetative plants with a nanocomposition based on a C60-threonine derivative and a single treatment with the chemical fungicide Zantara, CE. Reducing the dose of a chemical preparation is advisable only if a weak manifestation of the disease is expected. High biological and economic efficiency, comparable to the result of fungicidal treatment with 100 % application rate of the preparation, was ensured by the combined use of silicon containing chelate microfertilizer SCM-G and fungicide (50 % application rate), as well as nanocomposition based of the C60 fullerene amino acid derivatives with methionine and fungicide (50 % application rate).
Список литературы Углеродные и кремнезольные наносоставы в защите ярового ячменя от болезней на северо-западе России
- Frew A., Weston L.A., Reynolds O.L., Gurr G.M. The role of silicon in plant biology: a paradigm shift in research approach. Annals of Botany, 2018, 121(7): 1265-1273 (doi: 10.1093/aob/mcy009).
- Polischuk S.D., Churilov G.I., Churilov D.G., Borychev S.N., Byshov N.V., Koloshein D.V., Cherkasov O.V. Biologically active nanomaterials in production and storage of arable crops. International Journal of Nanotechnology, 2019, 16(1-3): 133-146 (doi: 10.1504/ijnt.2019.102400).
- Kalenska S., Novytska N., Stolyarchuk T., Kalenskyi V., Garbar L., Sadko M., Shutiy O., Sonko R. Nanopreparations in technologies of plants growing. Agronomy Research, 2021, 19(Special Issue 1): 795-808 (doi: 10.15159/ar.21.017).
- Федоренко В.Ф., Бухлагин Д.С., Голубев И.Г., Неменущая Л.А. Повышение урожайности сельскохозяйственных культур применением нанотехнологий. Научное издание. М., 2013.
- Полищук С.Д., Назарова А.А., Степанова И.А., Куцкир М.В., Чурилов Д.Г. Биологически активные препараты на основе наноразмерных частиц металлов в сельскохозяйственном производстве. Нанотехника, 2014, 1(37): 72-81.
- Забегалов Н.В., Дабахова Е.В. Влияние кремнийсодержащего нанопрепарата на урожайность и содержание кремния в зерновых культурах. Достижения науки и техники АПК, 2011, 12: 22-24.
- Хорошилов А.А., Павловская Н.Е., Бородин Д.Б., Яковлева И.В. Фотосинтетическая продуктивность и структура урожая яровой пшеницы под влиянием нанокремния в сравнении с биологическим и химическим препаратами. Сельскохозяйственная биология, 2021, 56(3): 487-499 (doi: 10.15389/agrobiology.2021.3.487rus).
- Семина С.А., Гаврюшина И.В., Никулина Е.В. Влияние кремнийсодержащих препаратов на формирование урожайности зерна кукурузы. Агрохимический вестник, 2020, 4: 62-66.
- Semenov K.N., Meshcheriakov A.A., Charykov N.A., Dmitrenko M.E., Keskinov V.A., Murin I.V., Panova G.G., Sharoyko V.V., Kanash E.V., Khomyakov Yu.V. Physico-chemical and biological properties of C60-l-hydroxyproline water solutions. RSC Advances, 2017, 7: 1518915200 (doi: 10.1039/c6ra26621e).
- Panova G.G., Serebryakov E.B., Semenov K.N., Charykov N.A., Shemchuk O.S., An-drusenko E.V., Kanash E.V., Khomyakov Y.V., Shpanev A.M., Dulneva L.L., Podolsky N.E., Sharoyko V.V. Bioactivity study of the C60-L-threonine derivative for potential application in agriculture. Journal of Nanomaterials, 2019, 2019: 2306518 (doi: 10.1155/2019/2306518).
- Mahadeva Swamy H.M., Asokan R. Bacillus thuringiensis as 'Nanoparticles' — a perspective for crop protection. Nanoscience & Nanotechnology-Asia, 2013, 3(1): 102-105 (doi: 10.2174/22106812112029990006).
- Cooke J., Leishman M.R. Consistent alleviation of abiotic stress with silicon addition: a metaanalysis. Functional Ecology, 2016, 30(8): 1340-1357 (doi: 10.1111/1365-2435.12713).
- Abdel-Haliem M.E.F., Hegazy H.S., Hassan N.S., Naguib D.M. Effect of silica ions and nano-silica on rice plants under salinity stress. Ecological Engineering, 2017, 99: 282-289 (doi: 10.1016/j.ecoleng.2016.11.060).
- Пиотровский Л.Б., Литасова Е.В., Думпис М.А. Зачем нам сегодня нужны фуллерены? Обзоры по клинической фармакологии и лекарственной терапии, 2019, 17(2): 5-15 (doi: 10.17816/RCF1725-15).
- Kresge C.T., Leonowicz M.E., Roth W.J., Vartuli J.C., Beck J.S. Ordered mesoporous molecular sieves synthesized by a liquid-crystal template mechanism. Nature, 1992, 359(6397): 710-712 (doi: 10.1038/359710A0).
- Beck J.S., Vartuli J.C., Roth W.J., Leonowicz M.E., Kresge C.T., Schmitt K.D., Chu C. T-W., Olson D.H., Sheppard E.W., McCullen S.B., Higgins J.B., Schlenker J.L. A new family of mesoporous molecular sieves prepared with liquid crystal templates. J. Am. Chem. Soc., 1992, 114(27): 10834-10843 (doi: 10.1021/ja00053a020).
- Shilova O.A. Synthesis and structure features of composite silicate and hybrid TEOS-derived thin films doped by inorganic and organic additives. J. Sol-Gel Sci. Technol., 2013, 68(3): 387-410 (doi: 10.1007/s10971-013-3026-5).
- Panova G.G., Ktitorova I.N., Skobeleva O.V., Sinjavina N.G., Charykov N.A., Semenov K.N. Impact of polyhydroxy fullerene (fullerol or fullerenol) on growth and biophysical characteristics of barley seedlings in favourable and stressful conditions. Plant Growth Regulation, 2016, 79(3): 309-317 (doi: 10.1007/s10725-015-0135-x).
- Панова Г.Г., Канаш Е.В., Семенов К.Н., Чарыков Н.А., Хомяков Ю.В., Аникина Л.М., Артемьева А.М., Корнюхин Д.Л., Вертебный В.Е., Синявина Н.Г., Удалова О.Р., Куле-нова Н.А., Блохина С.Ю. Производные фуллерена стимулируют продукционный процесс, рост и устойчивость к окислительному стрессу у растений пшеницы и ячменя. Сельскохозяйственная биология, 2018, 53(1): 38-49 (doi: 10.15389/agrobiology.2018.1.38rus).
- Панова Г.Г., Семенов К.Н., Шилова О.А., Корнюхин Д.Л., Шпанев А.М., Аникина Л.М., Хамова Т.В., Артемьева А.М., Канаш Е.В., Чарыков Н.А., Удалова О.Р., Галушко А.С., Журавлева А.С., Филиппова П.С., Кудрявцев Д.В., Блохина С.Ю. Влияние углеродных и кремнезольных наноматериалов на устойчивость ярового ячменя к заболеванию корневыми гнилями. Агрофизика, 2018, 3: 48-58.
- Shilova, O.A., Khamova, T.V., Panova, G.G., Artem'eva, A.M., Kornyukhin, D.L. Using the sol-gel technology for the treatment of barley. Glass Physics and Chemistry, 2018, 44(1): 25-32 (doi: 10.1134/S108765961801011X).
- Shilova O.A., Khamova T.V., Panova G.G., Kornyukhin D.L., Anikina L.M., Artemyeva A.M., Udalova O.R., Galushko A.S., Baranchikov A.E. Synthesis and research of functional layers based on titanium dioxide nanoparticles and silica sols formed on the surface of seeds of chinese cabbage. Russian Journal of Applied Chemistry, 2020, 93(1): 25-34 (doi: 10.1134/S1070427220010036).
- Shvidchenko A.V., Eidelman E.D., Vul' A.Ya., Kuznetsov N.M., Stolyarova D.Yu., Belousov S.I., Chvalun S.N. Colloids of detonation nanodiamond particles for advanced applications. Advances in Colloid and Interface Science, 2019, 268: 64-81 (doi: 10.1016/j.cis.2019.03.008).
- Schrand A.M., Ciftan Hens S.A., Shenderova O.A. Nanodiamond particles: properties and perspectives for bioapplications. Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, 2009, 34(1-2): 18-74 (doi: 10.1080/10408430902831987).
- Dolmatov V.Yu., Ozerin A.N., Kulakova I.I., Bochechka O.O., Lapchuk N.M., Myllymflki V., Vehanen A. Detonation nanodiamonds: new aspects in the theory and practice of synthesis, properties and applications. Russian Chemical Reviews, 2020, 89(12): 1428-1462 (doi: 10.1070/RCR4924).
- Исакова А.А., Сафонов А.В., Александровская А.Ю., Галушко Т.Б., Инденбом А.В., Спи-цын Б.В. Влияние модифицирования поверхности наноалмазов на взаимодействие с бактериями Pseudomonas putida K12. Физикохимия поверхности и защита материалов, 2017, 53(2): 137-140.
- Panyuta O., Belava V., Fomaidi S., Kalinichenko O., Volkogon M., Taran N. The effect of pre-sowing seed treatment with metal nanoparticles on the formation of the defensive reaction of wheat seedlings infected with the eyespot causal agent. Nanoscale Research Letters, 2016, 11: 92 (doi: 10.1186/s11671-016-1305-0).
- Pandey S., Giri K., Kumar R., Mishra G., Raja Rishi R. Nanopesticides: opportunities in crop protection and associated environmental risks. Proceedings of the National Academy of Sciences, India Section B: Biological Sciences, 2016, 88(1): 1287-1308 (doi: 10.1007/s40011-016-0791-2).
- Архипов М.В., Данилова Т.А., Синицына С.М. Состояние и перспективы развития зерновой отрасли в Северо-Западном федеральном округе. В сб.: Научное обеспечение развития производства зерна на Северо-Западе России. СПб, 2014: 4-15.
- Методические указания по регистрационным испытаниям фунгицидов в сельском хозяйстве. СПб, 2009.
- Рогожникова Е.С., Шпанев А.М. Эффективность применения биофунгицида Витаплан на яровом ячмене в условиях северо-запада Нечерноземной зоны. Вестник защиты растений, 2016, 3(89): 140-142.
- Shpanev A.M., Denisyuk E.S. Efficiency of microbial preparations based on Bacillus subtilis and Trichoderna harzianum for the protection of spring barley from diseases in Northwestern Russia. Applied Biochemistry and Microbiology, 2020, 56(9): 930-939 (doi: 10.1134/S0003683820090082).
- ГОСТ 12044-93. Межгосударственный стандарт. Семена сельскохозяйственный культур. Методы определения зараженности болезнями. М., 1993.
- Аникина Л.М., Панова Г.Г. Кремнийсодержащее хелатное микроудобрение и способ его получения. Патент на изобретение 2515389 (РФ). Заявл. 29.08.2012 г. Опубл. 10.05.2014. Бюл. № 13.
- Janmohammadi M., Sabaghnia N., Ahadnezhad A. Impact of silicon dioxide nanoparticles on seedling early growth of lentil (Lens culinaris Medik.) genotypes with various origins. Agriculture & Forestry, 2015, 61(3): 19-33 (doi: 10.17707/AgricultForest.61.3.02).
- Qi M., Liu Y., Li T. Nano-TiO2 improve the photosynthesis of tomato leaves under mild heat stress. Biological Trace Element Research, 2013, 156: 323-328 (doi: 10.1007/s12011-013-9833-2).
- Khodakovskaya M.V., Kim B.-S., Kim J.N., Alimohammadi M., Dervishi E., Mustafa T., Cernigla C.E. Carbon nanotubes as plant growth regulators: effects on tomato growth, reproductive system, and soil microbial community. Nano-micro Small, 2013, 9(1): 115-123 (doi: 10.1002/smll.201201225).
- Kim Y.-H., Khan A.L., Waqas M., Lee I.-J. Silicon regulates antioxidant activities of crop plants under abiotic-induced oxidative stress: a review. Frontiers in Plant Science, 2017, 8: 510 (doi: 10.3389/fpls.2017.00510).
- Jo Y.-Ki, Kim B.H., Jung G. Antifungal activity of silver ions and nanoparticles on phytopatho-genic fungi. Plant Disease, 2009, 93(10): 1037-1043 (doi: 10.1094/PDIS-93-10-1037).
- Zhang Y., Qi G.Y., Yao L., Huang L., Wang J., Gao W. Effects of metal nanoparticles and other preparative materials in the environment on plants: from the perspective of improving secondary metabolites. Journal of Agricultural and Foot Chemistry, 2022, 70(4): 916-933 (doi: 10.1021/acs.jafc.1c05152).
- Ayoub H.A., Khairy M., Elsaid S., Rashwan F.A., Abdel-Hafez H.F. Pesticidal activity of nanostructured metal oxides for generation of alternative pesticide formulations. Journal of Agricultural and Foot Chemistry, 2018, 66(22): 5491-5498 (doi: 10.1021/acs.jafc.8b01600).