Гуми-М повышает устойчивость пшеницы к твердой головне
advertisement
ГУМИ-М ПОВЫШАЕТ УСТОЙЧИВОСТЬ ПШЕНИЦЫ К ТВЕРДОЙ ГОЛОВНЕ Ф.М. Шакирова, Р.Ф. Исаев* Учреждение Российской академии наук Институт биохимии и генетики Уфимского научного центра Российской академии наук, Уфа * ГОУ ВПО Башкирский государственный аграрный университет Проблема формирования и сохранения урожая важнейших сельскохозяйственных культур, в частности, пшеницы как основной хлебной культуры, остается первоочередной в современном растениеводстве, особенно в регионах рискованного земледелия, характеризующихся неустойчивыми климатическими условиями, к каковым относится большая часть России, в том числе Республика Башкортостан. Технологические приемы растениеводства, направленные на повышение продуктивности ценных сельскохозяйственных культур, предусматривают использование целого комплекса мероприятий, которые, в частности, включают применение удобрений, ряда химических препаратов, таких как фунгициды и гербициды, а также регуляторов роста с антистрессовой активностью. Изучение механизмов регуляции устойчивости растений к разным по природе неблагоприятным факторам среды под влиянием перспективных соединений, обладающих широким спектром защитного действия, относится к числу приоритетных направлений исследований в современном растениеводстве. При этом следует подчеркнуть, что наибольшей практической ценностью обладают те регуляторы роста, которые не только стимулируют рост и развитие растений, но и индуцируют у них комплексную неспецифическую устойчивость ко многим болезням грибного, бактериального и вирусного происхождения, а также неблагоприятным абиотическим факторам среды. В связи с этим особого внимания заслуживают препараты, созданные на основе высокоактивных гуминовых кислот (ГК), повышающих устойчивость и продуктивность важнейших сельскохозяйственных культур. К настоящему времени накопилось много сведений, убедительно указывающих на эффективность использования регуляторов роста гуминовой природы для повышения устойчивости растений к разнообразным по природе стрессовым факторам среды (гипо- и гипертермия, засоление, воздействие ионов тяжелых металлов, радионуклидов, мутагенов, возбудители болезней), что находит отражение в увеличении продуктивности сельхозкультур [Nardi et al., 2002; Ермаков, Попов, 2003; Zhang, Ervin, 2004; Ferrara et al., 2004; Brunetti et al., 2005; Tejada, Gonzalez, 2006; Pena-Mendez et al., 2005; Нургалиева и др., 2006; Canellas et al., 2008; Carletti et al., 2008]. Гуминовые регуляторы роста ослабляют негативное влияние пестицидов на растения [Loffredo et al., 2007] и передозировки удобрений, обеспечивая тем самым и урожайность, и экологическую чистоту продукции. Попадая в прикорневую область растения, ГК усиливают ферментативные и микробиологические процессы, приводящие к разложению токсинов, что также приводит к получению более экологически чистой продукции. Использование гуминовых кислот привлекательно для практиков не только в связи с тем, что они проявляют свою активность на растениях в очень низких концентрациях - 10-5 10-9 М, но и потому, что они в норме присутствуют в клетках всех живых почвенных микроорганизмов. Поэтому они представляют собой экологически безопасные природные биопрепараты. Обсуждая ростостимулирующее действие гуминовых веществ на разные культуры, необходимо отметить, что их биологическая активность в качестве регуляторов роста в большой мере зависит от сырья, использованного для извлечения гуминовых веществ (бурый уголь, торф, горючие сланцы, сапропель, лесные и луговые почвы, лигнин, речные, озерные, морские воды, компосты, пищевые и производственные отходы и пр.), технологии экстракции, химического состава этих сложных полимеров, их молекулярного размера [Brunetti et al., 2005; Tejada, Gonzalez, 2006; Muscolo et al., 2007a; b; Перминова, 2008]. Огромное внимание исследователей, особенно в настоящее время, когда в мире остро стоит проблема улучшения плодородия почв, отводится не только характеристике химической структуры гуминовых веществ, но и их относительной молекулярной массы с целью отбора наиболее активных из них для использования в растениеводстве в качестве эффективных регуляторов роста. Так, например, есть немало данных, свидетельствующих о том, что ярко выраженными биологическими свойствами и активным воздействием на растения характеризуются относительно низкомолекулярные (<3500 Да) фракции гуминовых веществ [Nardi et al., 2002], хотя недавно появились сведения, указывающие на то, что различие гуминовых веществ по биологической активности обусловлено не только различием по молекулярной массе, но разнообразием их по химическому составу [Muscolo et al., 2007a]. Обсуждая характер действия гуматов на растительный организм, можно отметить следующее. Структура гуминовых кислот такова, что позволяет воспринимать квант солнечной энергии, преобразовывать и накапливать энергию солнца в химических связях, способных усваиваться растением, что является важным условием энергизации клеток и активации обменных процессов. Это приводит к ускорению ростовых процессов и развитию мощной корневой системы. Обработка гуматами активизирует функционирование ризобиальной микрофлоры, способствует поступлению питательных веществ [Ayuso et al., 1996a], повышает эффективность использования растениями минеральных удобрений [Quaggiotti et al., 2004]. Это, по-видимому, обусловлено способностью гуминовых веществ (особенно низкомолекулярных гуминовых веществ, НГВ) аккумулироваться в клеточных стенках и, по крайней мере, частично достигать плазматической мембраны и проникать внутрь растительных тканей [Quaggiotti et al., 2004], что было доказано в экспериментах с обработкой изолированных корней меченными радиоактивным углеродом гуминовыми кислотами [Nardi et al., 2002], и, посредством воздействия на состояние мембраносвязанной Н+-АТФ-азы, увеличивать проницаемость клеточных мембран для ионов фосфора, азота, калия и других компонентов минерального питания, необходимых для роста и развития растений [Орлов, 1997; Mackowiak et al., 2001; Nardi et al., 2002; Ермаков, Попов, 2003; Quaggiotti et al., 2004; Muscolo et al., 2007a]. При этом, гуминовые вещества оказывают довольно избирательный эффект на поступление ионов в растения, зависимый от их концентрации и рН среды [Nardi et al., 2002]. В связи с этим важно упомянуть данные о том, что стимуляция поглощения нитрата корнями и транслокация анионов в листья связаны с прямым воздействием гуминовых веществ на усиление экспрессии генов, кодирующих Н+-АТФ-азу в корнях, а в побегах белков-транспортеров нитратов [Quaggiotti et al., 2004]. С увеличением под влиянием гуминовых кислот Н+-АТФ-азной активности в плазматической мембране корней, вероятно, обусловленной ускорением экспрессии этого фермента, связывают активацию элонгации корней кукурузы и индукцию образования в корнях митотических сайтов, ассоциированных с ранними стадиями развития боковых корней, что может служить результатом проявления ГК гормонального (ауксинового) эффекта на пролиферацию латеральных корней [Canellas et al., 2002]. То, что низкомолекулярные гуминовые вещества характеризуются ауксиноподобной активностью, было предположено уже давно, с чем, в первую очередь, можно было связать проявление стимулирующего действия на рост и развитие растений [Nardi et al., 1994]. Действительно, сравнительный анализ влияния НГВ и ауксинов на морфо-физиологические и биохимические характеристики растительных тканей обнаружил сходство в их действии [Muscolo et al., 1999; Arancon et al., 2006], хотя и не абсолютное [Nardi et al., 1994; Quaggiotti et al., 2004]. Особого внимания в связи с проявлением ростостимулирующего эффекта НГВ, подобно ауксину, заслуживают, на наш взгляд, данные о взаимодействии НГВ, так же как и ИУК, с мембранами клеток моркови в культуре, что, предположительно, свидетельствует в пользу возможности их связывания с мембранными рецепторами ИУК [Muscolo et al., 2007а]. Интересны также сведения о том, что индуцирование роста клеток корней кукурузы растяжением под влиянием и ИУК, и гуминовых кислот обусловлено активацией под их влиянием не только Н+-АТФ-азы плазматической мембраны, но и вакуолярной Н+-АТФ-азы и Н(+)-пирофосфатазы [Zandonadi et al., 2007]. Таким образом, обработка растений гуминовыми веществами как бы имитирует обработку ауксином и способствует запуску биохимических реакций, обеспечивающих активацию ростовых процессов. Поэтому вполне справедливо проведение исследований по оценке содержания ауксина во фракциях гуминовых веществ. Использование разных методических приемов, включая масс-спектроскопию и иммуноанализ, позволило идентифицировать ИУК в составе гуминовых фракций [Muscolo et al., 1999]. Обсуждая эти сведения, нужно отметить, что плодородные почвы содержат больше соединений ауксиновой природы (по-видимому, микробного происхождения), чем обедненные, а в ризосфере их содержание обычно еще больше, вероятно, вследствие увеличения микробных популяций и усиления их метаболизма в присутствии корневых экссудатов, которые, кстати, также могут включать ауксин. Однако при этом встает важный вопрос, насколько стабильны ауксины в почвах, сведения об этом практически отсутствуют. Скорее всего, биологическая активность гумуса обусловлена продуктами бактериального метаболизма. Органическое сырье, служащее источником гуминовых веществ, может содержать соединения – предшественники или субстраты для синтеза почвенными микроорганизмами биологически активных соединений, включая и гормоноподобных, и, таким образом, эти соединения внутри гуминовых веществ становятся доступными для растений [Nardi et al., 2002]. Вышеизложенное указывает на то, что в спектре физиолого-биохимических реакций в растениях, вызываемых гуминовыми веществами, проявляется ауксиноподобная активность, что отражается в их ростостимулирующем эффекте. Интересно, что в них обнаруживают наличие и гиббереллиноподобной активности [Nardi et al., 2005]. Кроме того, использование иммуноферментного метода позволило выявить в гуминовых кислотах цитокинины, главным образом, зеатин-рибозид [Zhang, Ervin, 2004], при этом важно отметить, что обработанные ГК растения характеризовались большим содержанием эндогенного зеатин-рибозида в листьях и повышенной устойчивостью растений к засухе [Zhang, Ervin, 2004]. В широком спектре физиологического действия фитогормонов цитокининов, наряду с ярко выраженным ростоактивирующим эффектом, четко проявляется защитный эффект на растения при воздействии засухи, гипо- и гипертермии, засоления, возбудителей болезней, токсических ионов и др. [DaCosta, Huang, 2007; Чернядьев, 2009; Argueso et al., 2009; Kudo et al., 2010]. Важный вклад в регуляцию цитокининами неспецифической устойчивости растений вносит их способность активировать антиоксидантную систему защиты от окислительного стресса, развиваемого в ответ на воздействие разных по природе неблагоприятных факторов среды [Musgrave, 1994]. Поэтому данные о значительном накоплении α-токоферола (витамина Е) в листьях обработанных ГК растений в условиях засухи (на фоне увеличенного уровня эндогенных цитокининов) имеют важное значение в повышении под влиянием гуминовых кислот засухоустойчивости [Zhang, Ervin, 2004], поскольку α-токоферол обладает антиоксидантными свойствами и, следовательно, играет важную роль в защите клеток от окислительного стресса. Гуминовые вещества принимают самое активное участие во всех процессах почвообразования, формирования плодородия и улучшения физико-химических свойств почвы [Орлов, 1997; Ермаков, 1999; Ермаков, Попов, 2003; Quaggiotti et al., 2004; Brunetti et al., 2005; Перминова, 2008]. Это природные комплексообразователи [Mackowiak et al., 2001; Перминова, 2008]. Все полезные микроэлементы, являясь металлами с переменной валентностью, образуют хелатные комплексы с гуматами, что является решающим фактором для питания растений. Что касается таких тяжелых металлов, как свинец, ртуть, хром, кадмий, попадание которых в плоды, а затем в организм человека и животных приводит к серьезным заболеваниям, то с ними гуматы образуют нерастворимые соединения и создают тем самым преграду для их проникновения в клетку. Не меньшее значение имеет способность гуматов связывать в комплексы ионы железа и алюминия, избыточные количества которых в почве губительно сказываются на питании растений фосфором. При этом железо образует комплексы с гуматами, обеспечивающие транспортировку его в растения, а алюминий связывается в нерастворимое соединение и, таким образом, его вредное влияние на фосфаты нейтрализуется. Мелкодисперсная структура гуминовых кислот и высокая степень гидрофильности придают им способность к гелеобразованию. Именно этим объясняется отмеченное рядом исследователей повышение влагоудержания почвы после обработки гуматами. Это обстоятельство является чрезвычайно важным для засушливых регионов. Способность гуматов взаимодействовать с металлами важна не только для питания растений, но и для структурирования почв. Гуматы, реагируя с кальцием, магнием, алюминием и железом, всегда присутствующими в почве, образуют органоминеральные мостики, связывающие механические частицы почв в некую структуру, способную противостоять эрозии, удерживать влагу и воздух, создавать благоприятную среду для жизнедеятельности микроорганизмов. Активная работа микроорганизмов - это главная составляющая процесса гумусообразования. Как видим, прослеживается четкая взаимосвязь гуматов с растениями и почвой. Это указывает на благоприятность во всех отношениях обработки культурных растений препаратами гуминовой природы для повышения их устойчивости и продуктивности Ермаков, Попов, 2003; Brunetti et al., 2005. Таким образом, урожайность посевов различных сельскохозяйственных культур как отражение плодородия почв сопряжена, в первую очередь, с уровнем содержания в них гуминовых веществ. Универсальность их трофической функции проявляется и в прямом биологическом воздействии на физиолого-биохимические процессы, лежащие в основе роста и развития растений, такие как стимуляция фотосинтеза и дыхания, активация широкого спектра ферментов, синтеза белков, углеводов, хлорофилла, витаминов, аминокислот и других соединений. Это, в конечном счете, отражается в увеличении содержания питательных веществ в формирующихся семенах и плодах и урожайности в целом [Mackowiak et al., 2001; Arancon et al., 2006]. Эффективность практического применения препаратов, созданных на основе гуминовых кислот, для повышения продуктивности разных сельскохозяйственных культур и качества получаемой продукции не вызывает сомнения. В этом процессе, безусловно, сказывается эффект гуматов как регуляторов роста, обладающих гормоноподобным действием. В этом процессе также важную роль играет антистрессовая активность гуматов в отношении разных по природе неблагоприятных воздействий, включая возбудителей грибных болезней. Твердая головня, вызываемая фитопатогеном Tilletia caries, относится к числу наиболее опасных заболеваний пшеницы, занимающей широкий ареал в России, в том числе на Южном Урале. Это высокоспециализированный патоген, способный инфицировать разные органы растения-хозяина, однако развивается преимущественно в меристематических тканях, не вызывая значительных изменений в фенотипе инфицированного растения и репродуктивных органах [Каратыгин, 1981]. Основное отличие твердой головни от других болезней заключается в том, что она не просто снижает биологический урожай посредством угнетения растения, а практически его уничтожает. У растений, инфицированных возбудителями головни, вместо зерна формируется споровый материал патогена – телиоспоры, заключенные в головневые мешочки (сорусы). В одном сорусе может содержаться до 8-10 млн. спор патогена, а в колосе инфицированного растения - до 200 млн, поэтому даже один сорус, попавший в семенную партию, представляет серьезную угрозу для урожая. Следует отметить, что вредоносность твердой головни не ограничивается признаками поражения. Как правило, кроме явного уничтожения части урожая патоген приводит к угнетенному росту и других растений, где не смог вызвать полный свой цикл развития, при этом заспорение семян пшеницы твердой головней существенно снижало урожай растений, не проявлявших внешних признаков болезни, что является результатом скрытого заражения растений. Пораженные головней растения более восприимчивы к ржавчине, мучнистой росе, корневой гнили [Красавина, 1999]. Свидетельством того, что твердая головня относится к наиболее вредоносным заболеваниям, может служить порог его вредоносности, составляющий 0.3-0.5% распространенности болезни, тогда как для других заболеваний он составляет обычно 5 - 10% [Калашников, 1974]. Нами была проведена оценка влияния предпосевной обработки Гуми М на устойчивость мягкой пшеницы к возбудителю твердой головни Tilletia caries. Для этого семена пшеницы (сорт Жница), необработанные и предобработанные Гуми (800 мг/кг семян), инокулировали телиоспорами T. caries (10 г/кг семян) и высевали на делянки (5 кв.м) в трехкратных повторах в Учхозе БГАУ. Контролем служили растения, выращенные из не обработанных Гуми и не инфицированных семян. Результаты этого анализа приведены в табл. 1 Таблица 1. Эффективность предпосевной обработки пшеницы сорта Жница препаратом Гуми М против возбудителей твердой головни Вариант Пораженность растений твердой головней, % Контроль 37.5 Гуми М 12.7 Биологическая эффективность препарата против твердой головни, % 66.1 Выявлено, что пораженными твердой головней среди инокулированных телиоспорами T. caries не обработанных Гуми растений оказались почти 40%, тогда как у предобработанных Гуми растений – 13%. Эти данные свидетельствуют в пользу участия препарата Гуми М в индукции защитных реакций в ответ на грибную инфекцию. В свою очередь, такой эффект Гуми М должен найти отражение в увеличении продуктивности пшеницы в этом варианте опыта. Таблица 2. Влияние предпосевной обработки Гуми М на структуру урожая пшеницы сорта Жница Длина, см соломины колоса Количество зерен в колосе шт Контроль 63.3 7.9 Гуми М 70.5 8.4 Вариант Масса, г Урожайность г/м2 зерен с колоса 1000 зерен 23 0.73 32.58 195 25 0.88 43.84 263 Действительно, данные, приведенные в таблице 2, указывают на повышение морфометрических показателей структуры урожая пшеницы под влиянием предобработки Гуми М в сравнении с контрольным вариантом опыта. 4,5 4 3,5 3,5 3 2,5 500 200 150 100 молочная спелост ь 400 300 200 s rie +T ca Гу м иМ T. +T Гу м иМ T. К s ca rie К 300 250 200 150 100 .с ar ie s 100 .с ar ie s 100 150 .с ar ie s 250 200 +T 2 250 s 1,1 300 иМ 1,2 т рубков ание rie 1,3 30 Гу м 1,4 60 ca 4 90 T. 1,6 120 К 3 ИУК, мкг/г сырой массы 1 1,5 ЦК, нг/г сырой массы 1,5 150 ЦК, нг/г сырой массы 2 кущение 5 ЦК, нг/г сырой массы ИУК, мкг/г сырой массы 2,5 ИУК, нг/г сырой массы АБК, нг/г сырой массы АБК, мкг/г сырой массы АБК, мкг/г сырой массы 3 е Рис. 1. Влияние инокуляции T. сaries на гормональный баланс обработанных и не обработанных Гуми растений пшеницы в ходе онтогенеза Следовательно, применение препарата Гуми М при предпосевном способе обработки способствует как стимуляции ростовых процессов, так и развитию неспецифической устойчивости растений, которая проявилась при исследовании воздействия натрий хлоридного засоления [Нургалиева и др., 2006], токсических ионов кадмия [Фатхутдинова и др., 2008] и в отношении инокуляции T. caries, что показано в настоящей работе. Это раскрывает перспективы эффективного применения Гуми, а также других препаратов, созданных на основе ГК, для увеличения продуктивности различных сельскохозяйственных культур [El-Gramry et al., 2009; Asik et al., 2009]. Действенной системой регуляции жизнедеятельности растений в ходе всего онтогенеза является гормональная система, которая чутко реагирует на малейшие изменения условий их произрастания, включая и обработку регуляторами роста. В связи с этим, интересно было провести сравнительный анализ характера изменений в балансе фитогормонов инфицированных T. caries не обработанных и предобработанных Гуми М растений на разных стадиях развития. Необработанные растения на всех фазах онтогенеза очень чутко отзываются на инфицирование. Это проявилось как в накоплении гормона стресса АБК, так и в уменьшении уровня ИУК и особенно цитокининов на всех исследованных стадиях онтогенеза пшеницы (рис. 1). Выявленные изменения в целом приводят к дисбалансу гормональной системы, что четко проявляется при анализе коэффициентов отношения содержания ИУК к уровню АБК и особенно сильно – цитокининов к АБК (рис. 2). 3 0,08 к ущение 0,06 ЦК/АБК ИУК/АБК 2 0,04 1 0,02 0 0 3 0,2 трубк ование ЦК/АБК ИУК/АБК 0,16 2 1 0,12 0,08 0,04 0 0 м олочная сп елость 3 1,6 1,2 ЦК/АБК ИУК/АБК 2 0,8 1 0,4 s .с ar i rie a T .c + иМ Гу м T + иМ Гу м T .с ar i a .c T К s rie К es 0 es 0 Рис. 2. Изменение коэффициентов ИУК/АБК и ЦК/АБК в обработанных и не обработанных Гуми М растениях при инфицировании T. сaries в ходе онтогенеза пшеницы Известно, что стрессовые факторы, в том числе и грибной патогенез, вызывают в растениях нарушения в балансе фитогормонов, связанные не только с возрастанием уровня АБК, но и параллельным снижением содержания ауксинов и цитокининов [Шакирова, 2001; Grahem et al., 2008; Shakirova et al., 2010]. При этом уменьшение коэффициентов отношения ИУК или цитокининов к АБК может быть также обусловлено резким снижением уровня ИУК и ЦК на фоне отсутствия заметных изменений в концентрации АБК. Следует отметить, что цитокининам отводится важная роль в подавлении роста фитопатогенных грибов [Argueso et al., 2009], поэтому уменьшение концентрации ЦК в инокулированных растениях на всех стадиях онтогенеза можно рассматривать в качестве важного регуляторного компонента в стратегии успешного развития грибных клеток в растениях пшеницы. Предобработка Гуми М на фоне слабого воздействия на содержание ИУК в инфицированных T. caries растениях способствовала полному предотвращению стрессиндуцированного снижения уровня цитокининов и увеличения концентрации АБК, что в целом отразилось в нормализации баланса исследованных фитогормонов этих растений (рис. 1 и 2). Выявленные нами сдвиги в гормональном балансе вследствие предобработки Гуми М могут служить проявлением защитного действия препарата в отношении к T. caries, способствующего существенному уменьшению процента пораженности болезнью этих растений (таблица 1). Таким образом, выявленное нами свойство Гуми М при предпосевной обработке индуцировать стойкое накопление ЦК проявляется не только в проростках [Нургалиева и др., 2006], но и во взрослых растениях в ходе онтогенеза пшеницы. Способность Гуми М поддерживать повышенный уровень ЦК в инфицированных растениях, вероятно, вносит важный вклад в реализацию не только его ростостимулирующей, но и антипатогенной активности, направленной на сдерживание роста и развития твердой головни, поскольку известно, что формирование устойчивости растений к разным по типу трофности возбудителям грибных болезней, а также к изменяющимся условиям абиотической природы наблюдается на фоне повышенного содержания гормонов именно цитокининовой природы [Rakwal, 2003; Максимов и др., 2003; Argueso et al., 2009]. Приведенные результаты указывают на эффективность применения предпосевной обработки Гуми М для повышения устойчивости пшеницы к возбудителю твердой головни, что проявляется в нормализации гормональной системы предобработанных препаратом инфицированных растений, что, в свою очередь, отражается в большей интенсивности ростовых процессов этих растений в сравнении с необработанными и увеличении урожая зерна.
