Способ предпосевной обработки семян ярового ячменя
METHOD FOR PRE-SOWING TREATMENT OF SPRING BARLEY SEEDS

2
Изобретение относится к области сельского хозяйства для активации произрастания семян и защиты растений при выращивании зерновых культур. Способ осуществляется обработкой семян ярового ячменя в суспензиях, получаемых смешением кремнезоля на основе тетраэтоксисилана с нанопорошком диоксида титана и органических модификаторов - глицерина или полиэтиленгликоля. Лабораторные испытания показали высокую эффективность применения таких суспензий, полученных смешением кремнезоля на основе гидролизованного тетраэтоксисилана (1 об. % ТЭОС), нанопорошка диоксида титана (0.003 г TiO/мл кремнезоля) с добавками глицерина или полиэтиленгликоля (ПЭГ-400) - 1 об. %.
Данный способ обработки семян способствует ускорению развития проростков и корней растений на ранних этапах их развития, благоприятствует развитию полезных эпифитных микроорганизмов - бактерий, перерабатывающих органические и неорганические соединения азота в доступные для растений формы, и защите растений от фитопатогенов.
Известны различные способы предпосевной обработки семян для их стимуляции и более быстрого прорастания. Так, авторы [Булгакова Е.В., Нефедьева Е.Э., Павлова В.А. Увеличение всхожести семян с твердой семенной кожурой предпосевной обработкой ацетоном // Современные проблемы науки и образования. - 2014. - №6.; URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=15475 (дата обращения: 24.02.2020)] предлагают для семян растений, имеющих очень твердые оболочки, непроницаемые для воды, использовать обработку семян в ацетоне. В результате этой обработки на поверхности семян появлялись трещины и за счет этого всхожесть семян увеличивалась на 20%. Однако известно, что ацетон является токсичным веществом, к тому же появление трещин в оболочке, защищающей семена, может негативно отразиться на их стойкости к бактериальным заболеваниям.
2
2
Известно применение наночастиц различной природы для предпосевной обработки семян растений. Например, семена фасоли обыкновенной (Phaseolus vulgaris L., сорта Бийчанка) и пшеницы мягкой яровой (Triticum aestivum L., сорта Новосибирская 29) перед посевом замачивали в суспензиях наночастиц TiO, полученных методом электровзрыва, размером 5 нм, имевших концентрацию 8,9 мг/л в течение 2 суток - для фасоли, и в течение 1 суток - для пшеницы. Дополнительно, в течение вегетационного опыта растения дважды опрыскивали суспензиями наночастиц TiO: в 18-дневном возрасте в концентрациях 8,7 мг/л и в 27-дневном возрасте - 9,5 мг/л. Суспензии подвергали ультразвуковому диспергированию с последующей выдержкой до стабилизации турбидности. У 21-дневных контрольных растений (семена по той же схеме замачивали в воде) и опытных растений измеряли высоту стебля: у пшеницы - в фазе кущения, у фасоли - в фазе первого настоящего листа. Однако, как показали результаты измерений высоты: у 21-дневных растений, замачивание семян и последующая однократная обработка растений суспензиями наночастиц оксидов титана и алюминия не оказали влияния на скорость роста растений фасоли и пшеницы на начальной стадии их развития по сравнению с контрольными растениями. Положительное влияние предпосевной обработки семян и последующих внекорневых подкормок водными суспензиями наночастиц проявилось лишь на более поздних этапах развития растений [Т.П. Астафурова, Ю.Н. Моргалёв, А.П. Зотикова, Г.С. Верхотурова, С.И. Михайлова, А.А. Буренина, Т.А. Зайцева, В.М. Постовалова, Л.К. Цыцарева, Г.В. Боровикова Влияние наночастиц диоксида титана и оксида алюминия на морфофизиологические параметры растений // Вестник Томского государственного университета. Биология. 2011. №1 (13), с. 113-122].
2
2
2
Авторы ряда работ отмечают, что эффекты воздействия наночастиц диоксида кремния на прорастание семян растений были концентрационно зависимыми. Так, авторы [Siddiqui, М. Н. Role of nano-SiO2 in germination of tomato (Lycopersicum esculentum seeds Mill.). / M.H. Siddiqui, M.H. Al-Whaibi // Saudi Biol. Sci. - 2014. Vol. 21. P. 13-17] установили, что низкие концентрации наночастиц кремния увеличивали всхожесть семян томатов, а высокие подавляли. Увеличение всхожести обработанных наночастицами SiO семян кукурузы, как отмечено в работе [R. Suriyaprabha [et al.] Silica nanoparticles for increased silica availability in maize (Zea mays L) seeds under hydroponic conditions // Curr Nanosci. 2012. 8. P. 902-908], происходило из-за большей доступности питательных веществ и изменения рН питательной среды, однако наночастицы SiO замедляли прорастание семян фасоли в низких концентрациях (0,2%), тогда как более высокие концентрации тормозили рост корней проростков. Улучшение всхожести семян сои при обработке наночастицами диоксида кремния и титана происходило за счет увеличения активности нитратредуктазы [Lu [et al.] Research on the effect of nanometer materials ongermination and growth enhancement of Glycine max and its mechanism // Soybean Sci. -2002. Vol. 21. P. 68-172], а также за счет лучшего поступления воды и питательных веществ [L. Zheng [et al. Effect of nano-TiO on strength of naturally aged seedsand growth of spinach // Biol. Trace Elem. Res. 2005. Vol. 104 (1). P. 83-91].
Для улучшения сопротивляемости растений пшеницы фитопатогенам предложена предпосевная обработка семян фунгицидной композицией (патент РФ №2656965), включающей тебуконазол, прохлораз, крезоксимметил, а также вспомогательные компоненты. При этом фунгицидная композиция представлена в форме суслоэмульсии. Изобретение обеспечивает расширение спектра фитопатогенов, которые поддаются контролю. Однако в данном случае использованы биоцидные добавки сильного действия, которые могут повышать нежелательную нагрузку на окружающую среду.
Из приведенных примеров, ряд которых можно было бы продолжать, следует, что в каждом конкретном случае, для каждого вида растения в определенных условиях необходимо изучать влияния состава наночастиц, их концентрации, а также технологических особенностей обработки семян.
4
Известен способ предпосевной обработки семян ячменя по патенту РФ №2618143, который включает физико-химическое воздействие на семена, которое осуществляют с использованием тетраэтоксисилана Si(OEt) в количестве от 10 до 30 масс. %, который предварительно гидролизуют в водно-спиртовом растворе при недостатке воды в присутствии щелочи с образованием кремнезоля с рН~7-8, а также с добавкой раствора необходимых минеральных добавок. В данном способе используется золь-гель технология, благодаря чему на поверхности семян формируется покрытие, структура которого представляет собой кремнеземную или полисилоксановую матрицу, в которую можно дополнительно ввести полезные для растения минеральные вещества. Это облегчает прорастание семян и рост растений на начальном этапе их развития, повышает их конкурентоспособность по отношению к семенам сорняков и защищает семена культурных растений от вредных воздействий.
Данное техническое решение, как наиболее близкое к заявленному по техническому существу и достигаемому результату, принято в качестве его прототипа. Данный способ хорошо показал себя при лабораторных исследованиях на семенах зерновых и овощных культур на этапе раннего развития растений.
В тоже время данный способ позволяет обеспечить благоприятные условия только на стадии развития растений ярового ячменя.
Задачей заявляемого изобретения является создание технологии предпосевной обработки семян ячменя, которая была бы в состоянии обеспечить благоприятные условия не только для развития растений ярового ячменя, но и для дальнейшего роста растений, а также повысить их устойчивость к фитопатогенам.
Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для решения указанной заявителем технической проблемы и получения обеспечиваемого изобретением технического результата.
4
4
Согласно изобретению способ предпосевной обработки семян ячменя, включающий химическое воздействие на семена ячменя, которое осуществляют с использованием тетраэтоксисилана Si(OEt), характеризуется тем, что тетраэтоксисилан Si(OEt) в количестве 1 об. % смешивают при интенсивном перемешивании с 0.25-молярным раствором соляной кислоты, с образованием кремнезоля с рН~2-3 с добавкой водного раствора необходимых минеральных добавок, при этом в кремнезоли добавляют наночастицы диоксида титана в количестве 0.003 г/мл кремнезоля и органические модификаторы - полиэтиленгликоль или глицерин в количестве 1 об. %.
Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в том, предпосевная обработка семян в кремнезолях, обогащенных минеральными добавками и дополнительно наночастицами диоксида титана, способствует защите от фитопатогенов, но не всегда обеспечивает высокие показатели всхожести ярового ячменя. Поэтому для смягчения действия активного фотокатализатора диоксида титана в кремнезоли были дополнительно добавлены модифицирующие добавки - глицерин или полиэтиленгликоль. При этом синергетическое действие кремнезоля, наночастиц диоксида титана и модифицирующей органической добавки - глицерина или полиэтиленгликоля, оказывает благотворное действие и на морфологические параметры проростков ячменя и на их устойчивость к поражению фитопатогеном - возбудителю корневой гнили (Cochliobolus sativus (S. Ito & Kurib.) Drechsler ex Dastur) и обеспечивает условия для развития полезных эпифитных бактерий, перерабатывающих органические и неорганические азотные соединения в доступные для растений формы.
Заявленный способ реализуют следующим образом.
Для обработки семян были приготавливают кремнезоли на основе гидролизованного в кислой среде тетраэтилового эфира ортокремниевой кислоты - тетраэтоксисилана (ТЭОС), которые различались вариантами модифицирующих добавок (допантов): нанопорошок диоксида титана, глицерин и полиэтиленгликоль ПЭГ-400. В качестве прекурсоров золей также используют соляную кислоту HCl в виде 0.25 М водного раствора и дистиллированную воду. В качестве питательных для растений добавок макро- и микроэлементов в кремнезоли вводят водный раствор, содержащий следующие соединения - микро и макроэлементы (см. табл. 1). Методика приготовления золей заключалась в последовательном смешивании водного раствора макро- и микроэлементов, ТЭОС, 0.25 М раствора HCl и модифицирующих добавок глицерина или ПЭГ-400. в результате чего получали кремнезоли с рН~2-3, составы которых представлены в табл. 1.
2
2
2
Полученные кремнезоли выдерживают в течение 1 суток перед дальнейшим использованием. Для предпосевной обработки семян были выбраны семена ячменя ярового двух сортов - «Ленинградский» и «Атаман». Предпосевная обработка семян осуществлялась в результате перемешивания в течение 10 минут простым взбалтыванием семян ячменя в емкостях с водой (контроль), а также с исходным кремнезолем (опыт 1); и с суспензиями на основе этого кремнезоля: с добавкой нанопорошка диоксида титана (0.003 г TiO/мл кремнезоля) - опыт №2; с добавкой нанопорошка диоксида титана (0.003 г TiO/мл кремнезоля) и глицерина - опыт №3; с добавкой нанопорошка диоксида титана (0.003 г TiO/мл кремнезоля) и ПЭГ-400 - опыт №4.
2
2
В качестве нанопорошка диоксида титана использовали коммерческий фотокаталитический нанопорошок ТЮ Р25 (Degussa), который содержит анатаз и рутил в соотношении примерно 1/3, средний размер наночастиц анатаза и рутила ~85 и 25 нм, соответственно [Т. Ohno., K. Sarukawa, K. Tokieda, М. Matsumura Hi. Catal. 2001. Vol. 203. No 1. P. 82-86]. Порошок диоксида титана смешивали с кремнезолем в соотношении 0.003 г TiO на 1 мл кремнезоля и подвергали полученные смеси ультразвуковому диспергированию в течение 10 мин. Семена сушили при комнатной температуре на воздухе и затем при 30°С в течение 60 мин в сушильном шкафу. Режимы сушки семян соответствовали указанным в ГОСТ 12038. Обработанные семена перед посевом хранились при комнатной температуре. Повторность опыта - 400 семян на каждый вариант опыта.
Изучение биологической активности тестируемых веществ заключалось в определении их влияния на морфологические показатели роста проростков. Семена ячменя проращивали в чашках Петри диаметром 10 см на фильтровальной бумаге, смоченной 10 мл водного раствора тестируемого вещества. В контрольных вариантах семена проращивали на дистиллированной воде. На 3-день измеряли длину ростков и корней проростков. Все эксперименты повторяли трижды.
Оценку влияния предпосевной обработки семян ячменя приготовленными кремнезолем и суспензиями на численный состав эпифитных микроорганизмов проводили следующим образом. Навески предварительно обработанных сухих семян (по 10 г) помещали в колбы со 100 мл натрий-фосфатного буферного раствора (рН 7.2). Колбы подвергали воздействию ультразвука в течение 18 мин. Длительность воздействия ультразвуком была выбрана на основании результатов предварительно выполненных экспериментов по определению зависимости количества смываемых с поверхности семян клеток микроорганизмов от временного периода ультразвукового воздействия. Далее с применением общепринятого метода серийных разведений, заключающегося в высеве 0.1 мл (или 1 мл) водных суспензий - смывов из соответствующих разведений в твердые и жидкие питательные среды с последующим их культивированием в термостате при 28°С, определяли численность микроорганизмов.
Оценка влияния предпосевной обработки семян ярового ячменя на устойчивость к возбудителю корневой гнили Cochliobolus sativus (S. Ito & Kurib.) Drechsler ex Dastur проводили по следующей известной методике [Методические указания по изучению устойчивости зерновых культур к корневым гнилям. Л. ВАСХНИЛ, ВИР, 1976]. Для опытов использовали стерильный песок, смоченный до 50-60% полной влагоемкости. В 500 мл пластиковые стаканы вносили мицелий Cochliobolus sativus (S. Ito & Kurib.) Drechsler ex Dastur, в каждый стакан вносили мицелий с  чашки Петри. Стаканы выдерживали трое суток в помещении с температурой 24°С. Затем для равномерного распределения мицелия в плошках песок тщательно перемешивали и увлажняли. В каждый стакан высевали по 12 семян ячменя. Стаканы помещали в световой комнате под лампы дневного света, с режимом 16 часов день, 8 часов ночь. Учет проводили на 8-е сутки. Определяли массу выживших растений, визуально оценивали степень поражения каждого растения, давали оценку поражения в баллах по шкале Гоймана [Гойман Э. Инфекционные болезни растений / Пер. с нем. И.Г. Семенковой; Под ред. проф. М.С. Лунина. М.: Изд-во иностр. лит., 1954. 608 с.].
Результаты исследования влияния предпосевной обработки семян ярового ячменя на морфологические характеристики его проростков представлены в таблице 2.
Как видно из таблицы 2, как исходный кремнезоль, так и кремнезоль с добавкой наночастиц диоксида титана достоверно не увеличивают длину проростков и корней ячменя. В отличие от этих результатов, достоверное увеличение как длины проростков, так и длины корней зафиксировано для вариантов №№3 и 4, где в суспензии были дополнительно добавлены органические модификаторы глицерин или ПЭГ-400. Исходя из этой информации, следующие эксперименты по определению численности полезных бактерий на поверхности семян ячменя (см. табл. 3) и устойчивости его проростков к фитопатогену (возбудителю корневой гнили Cochliobolus sativus (S. Ito & Kurib.) Drechsler ex Dastur) (см. табл. 4) проводили только для исходного кремнезоля и для суспензий с добавками глицерина и ПЭГ-400.
Как видно из табл. 3, предпосевная обработка в суспензиях составов 3 и 4, содержащих смесь кремнезоля, наночастиц диоксида титана и добавок глицерина или полиэтиленгликоля достоверно повысило количество полезных бактерий, перерабатывающих соединения азота в легко усвояемую растениями форму. Этот факт будет способствовать улучшению физиологического состояния растений ярового ячменя и, в конечном итоге, - повышению его урожайности.
Данные таблицы 4 свидетельствуют о повышении устойчивости растений ячменя к фитопато гену - возбудителю корневой гнили при использовании предлагаемых суспензий с добавками диоксида титана и глицерина или полиэтиленгликоля.