ПОЛИМЕРНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ РОСТА И РАЗВИТИЯ РАСТЕНИЙ
POLYMER MATERIAL FOR CONTROLLING GROWTH AND DEVELOPMENT OF PLANTS

Изобретение относится к области сельскохозяйственной биотехнологии, в частности к макромолекулярным системам, способным регулировать рост и развитие растений за счет постепенно выделяющегося из них низкомолекулярного регулятора.
В последние десятилетия большое внимание уделяется повышению эффективности различных биологически активных веществ путем перевода их в формы с контролируемым выделением активного вещества (controlled release systems). К настоящему времени описано большое число таких систем, содержащих постепенно выделяющиеся биологически активные и лекарственные вещества различного типа. При этом используется два механизма - (а) когда активное вещество не связано химически с полимерным носителем и выделяется из системы за счет диффузионных факторов или биодеградации носителя; и (б) когда оно постепенно выделяется за счет разрыва, главным образом за счет гидролиза, химической связи между полимерным носителем и остатком регулятора, входящим в состав макромолекулярной системы.
Описан целый ряд систем группы (а).
Так, известен способ получения рострегулирующей композиции для растений на основе биодеградируемого полимера - полимолочной кислоты (PLA), полигликолевой кислоты (PGA), поликапролактона (PCL), полибутиленсукцината (PBSU), полиэтиленсукцината (PESU), полиэфирамидов (PEA), полигидроксибутиратвалерата (PHBV), содержащих также гидрофильные полимерные материалы, выбранные из таких полимеров как целлюлоза, крахмал, лигнин, кератин, фиброин, белки, поливиниловый спирт, в структуру которого включены различные биологически активные вещества, в частности, регуляторы роста растений. После нанесения такой композиции в виде покрытия на листья и другие поверхности растения, происходит выделение активного вещества за счет диффузии и деградации полимерной системы, [US 20110275520 А1, 10.11.2011].
Известна гранулированная композиция, содержащая регулятор роста растений, относящийся к группам гиббереллинов, ауксинов, цитокининов, ингибиторов синтеза этилена или их смесь и водорастворимый полимер - поливинилпирролидон, лигнин, лигносульфонат или монолаурат полиэтиленгликоля. Композиция используется для опрыскивания растений, [US 6984609, 10.01.2006].
Известен способ получения микрокапсулированных форм регуляторов роста и развития растений. При этом использовались микрокапсулы из гидрофильного полимера, [US 5139774 А, 17.08.1992; US 5837653 А, 17.11.1998; US 4382813 А, 10.05.1983; US 5861360 А, 19.01.1999]. В этих известных системах в качестве водорастворимого полимера, в частности, использовались крахмал и поливиниловый спирт.
Известен способ получения дисперсий, содержащих в качестве диспергирующей среды водорастворимый полимер (поливиниловый спирт), [US 4997642 А, 04.03.1991].
Все эти методы, относящиеся к системам группы (а) имеют общий недостаток, поскольку они не позволяют получать истинные растворы пролонгированных форм биологически активных веществ, в том числе регуляторов роста и развития растений, которые с использованием данных систем нельзя равномерно распределить по значительному числу растительных объектов, например, семян, черенков и т.п.
Этот недостаток удается устранить при использовании систем группы (б), в которых остаток низкомолекулярного регулятора роста и развития растений связан с макромолекулярным носителем гидролитически лабильной связью. Такие высокомолекулярные соединения (фитоактивные полимеры) позволяют пролонгировать действие регулятора, снизить возможность проявления фитотоксичности, обеспечивают растворимость плохо растворимых в воде регуляторов, образуя истинные растворы.
В настоящее время описаны полимерные производные практически всех основных групп регуляторов роста и развития растений, что отражено в большом числе публикаций, в частности, в монографиях и обзорах [Shtilman M.I. Immobilization on polymers. VSP: Utrecht - Tokyo. - 1993; Tsatsakis A.M., Shtilman M.I. Phytoactive polymers. New synthetic plant growth regulators. // Plant morphogenesis. / Eds. K. Angelakis and Tran Thah Van. - Plenum. Publ Co.: New-York - London. - 1993. - P.255-272. Shtilman M.I. Phytoactive polymers. // Polymer Science, Ser. B. - 1995. - V.37. - N.5-6. - P.251-259. Shtilman M.I., et al. Phytoactive Polymers. // Review Journal of Chemistry, 2011, V.1, N.3, P.275-287. Dubey S., Jhelum V., Patanjali P.K. Controlled release agrochemicals formulations: A rewiew. // J. Sci. & Indust. Res., 2011, V.70, P.105-112.].
Описаны полимерные производные регуляторов роста и развития растений группы ауксинов, в частности, стимулирующих корнеобразование и рост каллуса. Ауксиновую активность проявляет ряд арилалканкарбоновых и арилоксиалканкарбоновых кислот.
Известен метод получения полимерных эфиров ауксинов, представляющих собой сополимеры аллиловых эфиров ауксинов с солями акриловых кислот [GR 1001344 В, 29.10.1993].
Недостатком систем, описанных в этих патентных публикациях, являются их недостаточная гидрофильность из-за низкой полярности сложной эфирной группы, связывающей регулятор с полимерным носителем, что не позволяет ввести в состав полимера большое количество остатков регулятора с сохранением растворимости системы в воде. С другой стороны, высокая склонность к гидролизу сложной эфирной группы приводит к выделению из состава полимера части остатков регулятора, снижая их количество в полимере и требует тщательного контроля рН при получении полимерной соли, что трудно выполнимо в условиях укрупненного процесса.
Изобретение направлено на получение полимерного материала для регулирования роста и развития растений, который, обладает хорошей гидрофильностью, что позволяет ввести в состав полимера большое количество остатков регулятора с сохранением растворимости системы в воде, и позволяет увеличить диапазон стимулирующих доз и концентраций.
Указанный результат обеспечивается за счет того, что полимерный материал для регулирования роста и развития растений представляет собой сополимер аллиламида арилалканкарбоновой и арилоксиалканкарбоновой кислот, проявляющих ауксиновую активность и соли акриловой или метакриловой кислоты щелочного металла или аммиака, с молекулярной массой 5000-500000, с содержанием звеньев аллильного мономера от 1 до 50 мол.%.
Сополимер имеет следующую формулу:
3
2
3
где, R-H, -СН, -СН-СН
3
2
3
R′-H, -СН, -СН-СН
+
+
+
Kat-K, Na,
Заявляемый полимерный материал для регулирования роста и развития растений получен из производных биологически активных карбоновых кислот, связанных с полимерным носителем амидной группой, что позволяет исключить указанные недостатки известных полимерных материалов, также предназначенных для регулирования роста и развития растений. Так, более полярная амидная группа позволяет сохранить растворимость в воде при большем, чем в случае полимерных эфиров, количестве групп иммобилизованного регулятора. При этом более высокая устойчивость амидной группы к гидролизу позволяет сохранить присоединенные к полимеру остатки регулятора.
Использование в структуре полимера аллильного мономера позволяет при сополимеризации регулировать молекулярную массу получаемых сополимеров и исключить из их состава высокомолекулярные фракции, затрудняющие очистку полученного сополимера от примесей низкомолекулярных производных кислоты, оказывающих отрицательное влияние на свойства, получаемого полимерного регулятора, приводя к проявлению фитотоксичности.
Хорошая растворимость заявляемых полимерных амидов в воде позволяет применить для нанесения заявляемых полимерных препаратов различные методы - замачивание семян и черенков, опрыскивание, введение в дражировальные и инкрустирующие оболочки и др.
При этом растворимость полимеров в воде с образованием молекулярных растворов позволяет равномерно распределить препарат по поверхности значительного числа биологических объектов (семян, черенков, листьев) и увеличить диапазон стимулирующих доз и концентраций.
Полимерная природа заявляемого регулятора роста и развития растений позволяет использовать его растворы в воде без дополнительного введения ПАВ и прилипателей.
В качестве звена соли карбоновой кислоты могут быть использованы соли акриловых кислот.
В качестве арилалканкарбоновых и арилоксиалканкарбоновых кислот в составе заявляемого полимера могут быть использованы различные карбоновые кислоты, проявляющие ауксиновую активность фенилуксусная, 1-нафтилуксусная, 2-нафтоксиуксусная, 4-хлорфеноксиуксусная, 2,4-дихлорфеноксиуксусная, 2-метил-4-хлорфеноксиуксусная, 3-индолилуксусная, 3-индолилпропионовая, 3-индолилмасляная.
Сущность данного изобретения иллюстрируется следующими примерами конкретного осуществления.
Пример 1. Получение сополимер аллиламида 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты и калиевой соли акриловой кислоты (акрилата калия).
2 г аллиламида 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты (0,0077 моль), 0,36 г акриловой кислоты (0,005 моль) и 0,024 г азодиизобутиронитрила нагревали в среде 6,4 мл диоксана в атмосфере аргона при 80°С в течение 6 часов. Образовавшийся сополимер выделяли осаждением в 70 мл сухого этанола, содержащего 0,50 г КОН. Выделившийся сополимер аллиламида 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты и акрилата калия очищали экстракцией этанолом в аппарате Сосклета, контролируя извлечение остатков мономеров и КОН, не вступивших в реакцию фотометрическим методом и контролем рН. После очистки экстракцией сополимер сушили до постоянного веса. Выход продукта 1,92 г (выход 81%) и содержал 19,16 масс.% остатков 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты, что соответствует 11,05 мол.% звеньев аллиламида 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты в молекуле сополимера (определено по поглощению при λ=282 нм). Сополимер представлял собой бесцветный порошок, полностью растворимый в воде, с молекулярной массой 5000. Молекулярную массу определяли методом вискозиметрии.
Пример 2. Получение сополимера аллиламида 1-нафтилуксусной кислоты и аммонийной соли акриловой кислоты (акрилата аммония).
3
2 г аллиламида 1-нафтилуксусной кислоты (0,0089 моль), 0,425 г акриловой кислоты (0,0059 моль) и 0,024 г азодиизобутиронитрила нагревали в среде 7,4 мл диоксана в атмосфере аргона при 85°С в течение 6 часов. Образовавшийся сополимер выделяли осаждением в 78 мл сухого этанола, содержащего концентрированный аммиак (в расчете на 0,40 г NH). Выделившийся сополимер аллиламида 1-нафтилуксусной кислоты и акрилата аммония очищали экстракцией в аппарате Сосклета, контролируя извлечение остатков мономеров и аммиака, не вступивших в реакцию, фотометрическим методом и контролем рН. После очистки экстракцией сополимер сушили до постоянного веса. Выход продукта 2,01 г (83%) и содержал 23,4 масс.% остатков 1-нафтилуксусной кислоты, что соответствует 13,5 мол.% (определено по поглощению полимера при λ=281 нм). Сополимер представлял собой бесцветный порошок, полностью растворимый в воде, с молекулярной массой равной 100000. Молекулярную массу определяли методом вискозиметрии.
Пример 3. Получение сополимера аллиламида 2-нафтоксиуксусной кислоты и натриевой соли метакриловой кислоты (метакрилата натрия).
Реакцию проводили аналогично примеру 1 с введением в реакцию аллиламида 2-нафтоксиуксусной кислоты и метакриловой кислоты. Осаждение сополимера проводили в раствор NaOH в сухом этаноле. Выход продукта, содержащего 16,9 масс.% остатков 2-нафтоксиуксусной кислоты (определено по поглощению полимера при λ=280 нм) составил 79%. Сополимер представлял собой бесцветный порошок, полностью растворимый в воде, с молекулярной массой 50000. Молекулярную массу определяли методом вискозиметрии.
Пример 4. Получение сополимера аллиламида 3-индолилмасляной кислоты и акрилата калия.
Проводили аналогично примеру 1 с введением в реакцию аллиламида 3-индолилмасляной кислоты и акриловой кислоты. Осаждение сополимера проводили в раствор КОН в сухом этаноле. Выход продукта, содержащего 21,8 масс.% остатков кислоты (определено по поглощению полимера при λ=220 нм) составлял 64 масс.%. Молекулярная масса полученного сополимера равна 200000. Молекулярную массу определяли методом вискозиметрии.
Пример 5. Использование сополимера аллиламида 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты и акрилата калия (пример 1) для повышения урожайности томатов.
Способ обработки - замачивание семян в водном растворе сополимера с концентрацией 30 мг/л в течение 24 часов. Томат сорт Волгоградский поздний. Засоленность почвы - высокая.
Результат опыта - Урожайность: контроль - 180,0 ц/га. После обработки полимером - 214,2 ц/га (119% от контроля).
Пример 6. Использование сополимера аллиламида 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты и акрилата калия для повышения урожайности сахарной свеклы.
2
Условия проведения опыта: Сахарная свекла сорта Белоцерковская односемянная 45. Почва - чернозем малогумусный. Предшественник - озимая пшеница. Удобрения и мероприятия по уходу - стандартные. Норма высева 20 штук семян на погонный метр. Ширина междурядий 44.5 см. Площадь учетной делянки 25 м. Повторность 5-кратная.
Способ обработки - опрыскивание семян (25 мл раствора на 1 кг семян) перед дражированием. Протравитель - тетраметилтиурамдисульфид. Доза 3 г полимера на га.
Результат опыта:
Таблица 1
Вариант
Урожайность корнеплодов
Содержание сахара в корнеплодах
Полевая всхожесть семян
Сбор сахара
ц/га
% к контролю
%
% к контролю
%
% к контролю
ц/га
% к контролю
Контроль
438.4
100.0
16.8
100.0
40.8
100.0
73.7
100.0
(вода)
Препарат
471.9
107.7
17.5
104.5
52.0
127.4
82.6
112.1
Пример 7. Использование сополимера аллиламида 3-индолилмасляной кислоты и акрилата калия для стимулирования корнеобразования черенков черной смородины.
Условия возделывания: Зеленые черенки черной смородины (сорт Загадка) с 2-3 полностью сформированными листьями длиной 10-13 см. помещали в условиях теплицы в субстрат - смесь торф - речной песок 1:1. Глубина посадки: ~ 2 см. Площадь питания 4×5 см. В каждом варианте 20 черенков. Обработка - замачивание базальных концов черенков в растворе сополимера (Концентрация препарата 10 мг/л). Температура раствора 20-24°С.
Результаты опыта:
Таблица 2
Вариант
Среднее количество корней
Средняя длина корней
штуки
% от контроля
см
% от контроля
Контроль (вода)
1.8
100.0
1.9
100.0
Препарат (10 мг/л)
17.0
944.4
4.0
210.5
Пример 8. Использование сополимера аллиламида 1-нафтилуксусной кислоты и аммонийной соли акриловой кислоты (акрилата аммония) для стимулирования корнеобразования черенков яблони. Яблоня (сорт Клоновый подвой Будаговского 57-233).
Условия и метод обработки аналогичные примеру 7.
Результаты опыта:
Таблица 3
Вариант
Среднее количество корней
Средняя длина корней
штуки
% от контроля
см
% от контроля
Контроль (вода)
12.8
100.0
3.5
100.0
Препарат (50 мг/л)
30.4
237.5
7.3
208.6
Пример 9. Использование сополимера аллиламида 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты и калиевой соли акриловой кислоты (акрилата калия) для стимулирования сращивания прививок винограда.
Условия возделывания: Сортоподвойная комбинация винограда Алиготе × Кобер 5ББ. Полевые опыты. Условия возделывания стандартные. Обработка - Окунание места сращивания в раствор препарата. Концентрация раствора 5,0 мг/л.
Результаты опыта:
Таблица 4.
Вариант
Образование кругового каллюса
Приживаемость прививок
% образцов с круговым каллюсом
% от контроля
% прижившихся прививок
% от контроля
Контроль (вода)
55-89
100.0
59-65
100.0
Препарат (5,0 мг/л)
86-100
156-182
74-92
125-159