СПОСОБ ЗАЩИТЫ РАСТЕНИЙ ОТ ЗАСУХИ
METHOD TO PROTECT PLANTS AGAINST DROUGHT

Изобретение относится к сельскому хозяйству, а именно к способам защиты растений от засухи путем повышения их засухоустойчивости, и может быть использовано при выращивании культурных растений в районах рискованного земледелия в условиях дефицита влаги.
Проблема борьбы с засухой была и остается предельно актуальной. Описано большое количество разнообразных способов защиты растений от стресса дефицита влаги.
Например, для повышения засухоустойчивости растений предлагается вносить в почву фосфорно-калийные удобрения и микроэлементы бора, цинка и меди (Генкель П.А. Физиология растений. М.: Просвещение, 1975, с.160; Третьяков Н.Н., Кошкин Е.И., Макрушин Н.М. и др. Физиология и биохимия сельскохозяйственных растений. М: Колос, 1998, с.538). Однако данный способ не отличается высокой эффективностью, так как засухоустойчивость растений повышается не более чем на 5-8%.
Известны способы изменения растений на генном уровне, то есть получение новых трансгенных растительных форм: заявка RU 2007107918, C12N 15/82, А01Н 5/00, 10.09.2008; RU 2159813, C12N 15/09, C12N 15/52, 27.11.2000; RU 2152997, C12N 15/54, C12N 15/82, 20.07.2000. Но трансгенные формы представляют определенный риск для последующих поколений как растений, так и употребляющих их в пищу людей и животных, и такие способы повышения засухоустойчивости вряд ли приемлемы в широкой практике.
Наибольшее распространение получили способы повышения засухоустойчивости растений, заключающиеся в применении различных препаратов либо для предпосевной подготовки семян, либо для внекорневой обработки растений на ранних стадиях вегетации. Приводим некоторые такие способы из большого количества известных.
Для выращивания яровой пшеницы в условиях весенне-летней засухи, характерной для южных районов Сибири и Прибайкалья, предложено использовать для предпосевной подготовки семян препарат, содержащий 0,01 мас.% изофлавона формононетина в кремний-органическом составе (RU 2258344, А01С 1/00, A01N 55/10, 20.08.2005). В качестве средства, одновременно активирующего прорастание семян зерновых и повышающего устойчивость проростков к водному стрессу, предложено применять водный раствор 4-хлорметил-2-(фурил-2)-1,3-диоксолана (RU 2146447, A01N 43/90, 43/08, 43/28, 20.03.2000), β-формил-акриловую кислоту в композиции со смесью 2(5Н)-фуранона, карбоновых кислот (янтарной, малеиновой, фумаровой и муравьиной) и воды (RU 2133092, A01N 37/02, 20.07.99), препарат "Глифур", являющийся производным 1,3-диоксацикланов (RU 2138164, A01N 43/32, A01N 43/08, 27.09.99). Для повышения урожайности сои в условиях засухи предложено использовать для предпосевной обработки семян амид ω-хлорперфторпропионовой кислоты (RU 2077847, A01N 37/18, A01N 37/12, 27.04.97). Для внекорневой обработки растений сои в фазе 3-4 листьев для стимулирования выхода растений из водного стресса в условиях засухи предложено применять раствор стероидного глюкозида, выделенного из семян томата экстракцией метанолом (RU 2020822, A01N 65/00, A01N 43/08, 15.10.94).
Применяющиеся в известных способах защиты растений от действия засухи препараты либо сами являются токсичными веществами, небезопасны при использовании и неблагоприятно сказываются на экологической обстановке, либо их способы получения являются сложными, дорогостоящими и экологически опасными.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ защиты растений от засухи, заключающийся в трехкратном в течение трех суток попеременном замачивании и подсушивании семян. Замачивание производят в теплом водном растворе (30-35°С) аминокислоты пролина и сахарозы или глюкозы при следующем весовом соотношении компонентов: для первого замачивания вода:пролин:сахароза = 100:1:4, для второго - вода:пролин:глюкоза = 50:1:5, для третьего - вода: пролин:сахароза = 20:1:4. Подсушивают семена после каждого замачивания с использованием искусственного вентилирования нагретым до 38-40°С воздухом. Способ позволяет повысить выживаемость бобовых кормовых культур (эспарцета, клевера и люцерны) при выращивании их в условиях жесткого водного дефицита (RU 2239299, А01С 1/00, 10.11.2004 - прототип). Способ основан на известной информации о том, что аминокислота пролин, накапливающаяся эндогенно или экзогенно в вегетативных органах растений в период стресса, вызванного водным дефицитом или заморозками, способствует трансформации свободной воды в тканях растений в связанную, что повышает их засухоустойчивость или морозостойкость. Причем накопление пролина усиливается на фоне повышенного содержания в тканях углеводов (Савицкая И.Н. О физиологической роли пролина в растениях // Науч. доклады Высшей школы, 1976, №2, с.55; Рубин Б.А. Курс физиологии растений. М.: Высшая школа, 1976, с.546; Стаценко А.П. О криозащитной роли аминокислот в растениеводстве // Физиология и биохимия культурных растений, 1992, Т.24, №6, с.550-564).
Недостатками известного способа-прототипа являются многоэтапность, сложность и длительность технологии его применения (трехразовое попеременное намачивание и высушивание семян), а также высокая стоимость и сложность химического процесса получения компонентов используемого препарата.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка эффективного и простого в применении, универсального, то есть пригодного для всех сельскохозяйственных культур, способа защиты растений от засухи, использующего экологически чистое, широко доступное и низкое по цене средство.
-4
-3
-2
-2
Решение поставленной задачи достигается предлагаемым способом защиты растений от засухи, включающим обработку водным раствором биологически активного вещества, в котором в качестве биологически активного вещества используют пероксид водорода (ПВ) в концентрации 5·10-1·10 М (1,7·10-3,4·10 г/л), при этом обработке подвергают либо семена перед посевом с последующим подсушиванием, либо надземную поверхность растений на начальных стадиях вегетации, либо сочетают обе обработки.
Обработку семян перед посевом можно осуществлять полусухим методом при массовом соотношении водный раствор ПВ:семена 1:1,5-2,2.
Обработку надземной поверхности растений можно проводить при норме расхода водного раствора ПВ 400-500 л/га.
Предлагаемый способ был испытан в лабораторных условиях и в условиях, приближенных к полевым. Объектами испытаний были растения, имеющие определенную значимость в сельском хозяйстве и относящиеся к разным видам (однодольные, злаковые, сложноцветные): кукуруза, пшеница, рожь, земляника безусая, сельдерей листовой, рапс яровой. Растения выращивались в условиях дефицита влаги, эксперименты длились в течение 15-24 суток при температуре 18-20°С до частичной гибели растений. Учитывали количество выживших растений, морфологические изменения, их физиологическое состояние.
Приводим примеры испытаний.
А. Предпосевная обработка семян.
Пример 1.
-3
-2
Семена ржи сорт «Былина» обрабатывали полусухим способом: на 11 г семян брали 5 мл воды в контроле и в опыте на 11 г семян брали 5 мл водного раствора ПВ концентрации 1·10 М (3,4·10 г/л). Слегка подсушенные семена высевали в культуральные сосуды на песок, однократно увлажненный водой. На 21 сутки опыта учитывали количество живых растений ржи. В контроле осталось 10% растений, в опыте - 36%.
Пример 2.
-4
-2
Семена пшеницы сорт «Инна» обрабатывали полусухим способом: на 10 г семян брали 5 мл воды в контроле, а в опыте на 10 г семян брали 5 мл водного раствора ПВ концентрации 5·10 М (1,7·10 г/л). Подсушенные до сыпучести семена высевали в культуральные сосуды на песок, однократно увлажненный водой. На 10 сутки опыта оценивали количество растений, имеющих 2-й настоящий лист. В контроле это отмечено у 6% растений, в опыте - у 24% растений от количества оставшихся в живых.
Пример 3.
-4
-2
Семена пшеницы сорт «Губерния» обрабатывали полусухим способом: на 7,5 г семян брали 5 мл воды в контроле, а в опыте на 7,5 г семян брали 5 мл водного раствора ПВ концентрации 8·10 М (2,7·10 г/л). Подсушенные до сыпучести семена высевали в культуральные сосуды на песок, однократно увлажненный водой. На 15 сутки опыта оценивали количество растений, имеющих высоту более 4 см. В контроле таких растений от количества оставшихся в живых было 27%, в опыте - 50%.
Пример 4.
-4
-2
Семена рапса ярового обрабатывали полусухим способом: на 10 г семян брали 5 мл воды в контроле, а в опыте на 10 г семян 5 мл водного раствора ПВ концентрации 5·10 М (1,7·10 г/л). Слегка подсушенные семена высевали в культуральные сосуды на песок, однократно увлажненный водой, и оценивали всхожесть на 4 сутки, а на 7 сутки количество растений с длиной корня более 2 см и с величиной стебля более 4 см. Всхожесть семян в контроле была 80%, в опыте - 91%. Живых растений на 7 сутки с длиной корня более 2 см было в контроле 70%, в опыте - 87%, с величиной стебля более 4 см в контроле было 50%, в опыте - 71%.
Б. Обработка надземной поверхности растений.
Пример 5.
2
-4
-2
Растения сельдерея листового до фазы 1-го настоящего листа выращивали на двух делянках в условиях нормальной влажности - не менее 60% ППВ (предельной полевой влагоемкости). Затем растения опрыскивали одинаковым объемом (из расчета 50 мл/м): контрольные водой, опытные водным раствором ПВ с концентрацией 5·10 М (1,7·10 г/л), после чего создавали стрессовые условия почвенной засухи. Оценивали количество жизнеспособных растений к 5 и 24 суткам после опрыскивания. На 5 сутки в контроле было 80% живых растений, в опыте - 95%, на 24 сутки в контроле было 20% живых растений, в опыте - 45%.
Пример 6.
2
-3
-2
Растения земляники безусой до фазы 1-го настоящего листа выращивали на двух делянках в условиях нормальной влажности - не менее 60% ППВ. Затем растения опрыскивали одинаковым объемом (из расчета 40 мл/м): контрольные водой, опытные водным раствором ПВ с концентрацией 1·10 М (3,4·10 г/л), после чего создавали стрессовые условия почвенной засухи. Оценивали количество жизнеспособных растений на 11 сутки после опрыскивания: в контроле осталось живых растений 70%, в опыте - 93%.
В. Сочетание предпосевной обработки семян с обработкой надземной поверхности растений.
Пример 7.
-4
-2
2
-4
-2
Семена земляники безусой обрабатывали полусухим способом: на 10 г семян брали в контроле 5 мл воды, а в опыте на 10 г семян брали 5 мл водного раствора ПВ концентрации 5·10 М (1,7·10 г/л). Подсушенные семена высевали в культуральные сосуды на почвенную среду с нормальной влажностью и отслеживали время появления 1-го настоящего листа: в опыте он появился к 25 суткам, в контроле - к 30 суткам. Затем (на 30-е сутки) растения опрыскивали одинаковым объемом (из расчета 50 мл/м): контрольные водой, опытные водным раствором ПВ с концентрацией 5·10 М (1,7·10 г/л), после чего создавали стрессовые условия почвенной засухи. Оценивали количество жизнеспособных растений к 5 и 20 суткам после опрыскивания. На 5 сутки в контроле было 80% живых растений, в опыте - 98%, на 20 сутки в контроле было 20% живых растений, в опыте - 50%.
Таким образом, из приведенных примеров видно, что предлагаемый способ позволяет существенно повысить выживаемость растений в условиях дефицита влаги.
Одним из объяснений механизма защитного действия ПВ в условиях дефицита влаги может быть представление о том, что засухоустойчивость растений зависит от соотношения в клетках свободной и связанной воды. Нами были проведены специальные эксперименты с использованием метода протонной спин-спиновой релаксации, которые показали, что обработка растений (семян или надземной части) водным раствором ПВ увеличивает содержание в растительных клетках связанной воды и одновременно уменьшает содержание свободной воды. Процессы спин-спиновой релаксации описываются временем релаксации Т2. Для фракции свободной воды времена релаксации составляют сотни мсек, а для воды, более связанной с клеточными структурами, времена релаксации существенно меньше - десятки мсек. Во всех опытных образцах растений, обработанных водным раствором ПВ (либо в виде семян перед посевом, либо методом орошения надземной части) наблюдали увеличение вклада в кривую продольной намагниченности быстрой компоненты Т2, что соответствует более связанному состоянию протонов воды. Таким образом, можно сделать вывод, что под влиянием ПВ происходит перераспределение фракций воды в клетках -увеличивается содержание воды, более связанной с клеточными структурами. Например, в контрольных растениях значения Т2, соответствующие более связанной воде, составляют 11-14% от общего количества воды в клетках, а в опытных образцах вклад связанной воды достигает 20-40%.
Кроме того, следует подчеркнуть, что ПВ обладает уникальными свойствами: ПВ является источником кислорода (водорода) при фотосинтезе (Комиссаров Г.Г. «Фотосинтез: физико-химический подход» М, УРСС, 2003 г. 224 с.), ПВ является экологически безопасным и нетоксичным стимулятором роста растений (пат. США 1927988, 26.09.33; пат. США 1962996, 12.06.34; Апашева Л.М., Комиссров Г.Г. Влияние пероксида водорода на развитие растений. Изв. РАН, сер. биол. 1996, №5, с.621-623; Корзинников Ю.С. Экологически безопасные средства защиты растений. Вестник РАСХН, 1997, №2, с.44-47; RU 2305404, A01N 59/00, A01N 25/10, А01С 1/06, 10.09.2007), ПВ является эффективным стимулятором образования крахмала при фотосинтезе высших растений (RU 2253235, A01N 59/00, А01С 1/00, A01G 1/00, 10.06.2005). Безусловно, такие свойства ПВ способствуют повышению эффективности действия ПВ на растения в условиях засухи. В частности, стимулирование образования крахмала - главной реакции фотосинтеза - в стрессовых условиях засухи благоприятно скажется на жизнеспособности растений и на скорости их роста: при дефиците влаги продуктивность растений в накоплении урожая очень заметно снижается, так как даже при временном завядании устьица листьев закрываются, и процесс фотосинтеза резко замедляется.
Таким образом, предложен эффективный, простой, применимый для любых сельскохозяйственных культур способ защиты растений от засухи, использующий экологически чистое, широко доступное и низкое по цене биологически активное вещество - пероксид водорода, обладающий рядом уникальных свойств. Достаточно предпосевной обработки семян или внекорневой обработки растений при угрозе засухи.