Введение к работе
Актуальность темы. Агрохимические препараты - минеральные удобрения (NPK) и химические средства защиты растений (ХСЗР), предназначенные для увеличения продуктивности сельскохозяйственных культур, выполняют определённые функции в сложных природных системах, которыми являются агроценозы. Часто внесение этих химических компонентов порождает новые проблемы в биоценозах почвы, которые в свою очередь снижают продуктивность с/х производства.
В последнее время множество исследований посвящено еще одному классу агрохимических средств - регуляторам роста растений (РРР). Эти биопрепараты - действующим веществом (д.в.) многих являются биологически активные вещества (БАВ) - выполняют трофические и экологические функции в агроценозе, влияют на интенсивность протекания физиологических процессов и поддерживают гомеостаз в растении. Способ, доза и срок их использования обусловлены их физиолого-биохимическими свойствами, которые не до конца изучены. Эффективность их действия зависит от многих факторов: климата, почвы, избытка или недостатка отдельных биофильных элементов, присутствия ксенобиотиков и др. Влияние на растение многих из них весьма специфично, а функциональная протекторная особенность может быть связана как со стимулирующим, так и ингибирующим их эффектом. Экзогенно используемые РРР в малых количествах могут существенно влиять на рост и развитие растений, адаптируя их реакцию к условиям окружающей среды.
Некоторые из БАВ, являясь регуляторами роста и развития растений, контролируют и поступление питательных веществ из почвы в растение, а также отвечают за перераспределение их в органах растения и сопряжены с почвенной биотой. В целом для агроценоза, как и для экосистемы, важна и ещё не выяснена мембранная и барьерная роль почвы и фитомассы в процессах массопереноса (биофилов и биоцидов) в системе почва - растение. Значимая роль фитогормонов, которые являются БАВ, в этих процессах установлена. Экзогенное применение фитогормональных препаратов влияет не только на эндогенный гормональный статус растения [Лузина и др., 1995; 2000], но, зачастую, изменяет и химический состав растения [Максимов, 1989; Сивцова и др., 1991]. Таким образом, при одних и тех же условиях РРР способны существенно изменять метаболизм растений. Это их свойство может быть использовано для корректировки как раздельного, так и совокупного действия NPK и ХСЗР.
Основываясь на физиолого-биохимической характеристике действия хлорхолинхлорида (ССС), как ингибитора синтеза эндогенных гиббереллинов (ГАз), стимулятора эндогенного синтеза ауксинов, проведены исследования его протекторных свойств в системе почва - растение. Этот факт исследован с помощью разработанного нами системного методического подхода в многолетних полевых опытах с учетом используемых удобрений и ХСЗР.
Также с целью оптимизации экологии агроценоза обосновано применение стероидного фитогормона, 24-эпибрассинолида (ЭБ), играющего важную роль в жизненном цикле растений. Особый интерес настоящих исследований заключается в изучении экологических и агрохимических особенностей действия ЭБ в системе почва - растение.
Работы в области изучения стероидных фитогормонов [Хрипач и др., 1995; 1999; Mitchell et al., 1970; Grove et al, 1979; Gregory et al, 1982; Mandava, 1988; Li et al., 1996; Szekeres et al., 1996; Clouse, 2002] широко развиваются в разных странах, являются тематикой многих научных проектов. Характерная черта этих исследований - кооперация ученых разных специальностей. Наряду с научными изысканиями расширяется спектр практического использования брассиностероидов (БС). К числу основных научных исследований в области биологии относятся исследования механизма действия БС [Fujioka, Yokota, 2003], их физиологической роли в растении [Sakurai, Fujioka, 1993; Clouse et al., 1996], рецепции [Кулаева и др., 1989; Takematsu et al., 1982; Mandava, 1988], ингибированию [Nagata et al., 2000], белково-нуклеиновому, углеводному обмену и активности ферментов [Деева и др., 2001, 2007], морфогенезу [Ефимова, 2006; Chory et al., 1989; Li et al., 2003], влиянию на состояние плазматических мембран и участию БС в фотоморфогенезе [Каранчук и др., 1998; Edit Abraham et al., 2003], взаимодействию с другими фитогормонами [Mandava et al., 1981; Mandava, 1988], и др. Эти и многие полевые и вегетационные результаты исследований [Прусакова и др.,1995; Пироговская и др.,2001; Ниловская и др., 2001] послужили основой их практического применения. Пока реакция растений, индуцированных ЭБ, далека от полного понимания и не всегда ведёт к устойчивому ответу. Необходимы детальные исследования процессов адаптации и механизмов детоксикации, связанных с использованием ЭБ в условиях изменяющихся факторов внешней среды (почва, климат, антропогенные факторы).
Выполненные исследования направлены на изучение действия 24-эпибрассинолида с учетом использования минеральных удобрений. В зависимости от внешних условий дозы вносимых минеральных удобрений не всегда обеспечивают оптимум питательных элементов для развития растений, а роль экзогенного использования фитогормона, возможно, способствует в этом случае быстрой их адаптации. Для экзогенного использования ЭБ остаётся актуальным оценить его эффективность в зависимости от способов применения (концентраций, фаз онтогенеза, совместного использования с фитогормоном ГАз).
Актуальным является изучение протекторных особенностей ЭБ в агроценозе, касающееся поступления радионуклидов и тяжелых металлов (ТМ) в растения [Деева и др., 1988; Ульяненко и др., 2004]. Многие из существующих результатов противоречивы и нуждаются в дополнительных экспериментальных данных. Для понимания и подтверждения протекторных механизмов действия ЭБ [Шакирова, 2001] требуются дополнительные
экспериментальные данные, что приведёт не только к развитию его теоретических аспектов, но и повысит эффективность практического использования. С целью интерпретации материалов, полученных по действию ЭБ, в случае полиметаллического загрязнения агроценоза ТМ целесообразным представлялось оценить его протекторные особенности и по отношению к отдельным элементам (Zn, Cd). Причем цинку в работе уделено особое внимание как важному биотическому элементу, а также возможному негативному его действию на растения и биоту почвы при высоких концентрациях в агроценозе. Фактором антропогенного воздействия может выступать и агрохимический приём внесения минеральных удобрений, что может привести (особенно в периоды нестабильности абиотических факторов) к несбалансированности (дефициту или избытку) питания.
Изучение воздействия на агроценозы активных факторов, которыми являются РРР, требует новых системных методологий. Поэтому для проведения настоящих исследований необходимо совершенствование методов исследований, среди которых все возрастающую роль приобретают биотесты. Использование биотестов в комплексе с физико-химическими исследованиями позволяют с большей вероятностью прогнозировать последствия внесения агрохимических средств. Но для применения биотестирования необходимо разработать методики и оценить на модельных системах эффективность их применения.
Цель работы: изучение экологических функций комплекса биорегуляторов и агрохимических средств в агроценозе.
В задачи исследований входило:
рассмотрение экологической концепции комплекса агрохимических средств (удобрений и регуляторов роста растений);
изучение роли биорегуляторов как фактора адаптации к изменяющимся условиям внешней среды в процессе онтогенеза растений;
изучение особенности защитного действия ретарданта хлорхолинхлорида при использовании химических средств защиты растений с учетом используемых систем удобрений в агроценозе;
изучение особенностей действия фитогормонов ЭБ, ГАз и их совместного использования при разных уровнях обеспеченности почвы NPK (дефицит, избыток и дисбаланс);
оценка роли экзогенного действия ЭБ (и его совмещения с ГАз) в повышении устойчивости растений к недостатку и избытку цинка (Zn) в агроценозе с учетом фактора - уровня обеспеченности почвы основными элементами минерального питания (NPK);
изучение протекторного действия ЭБ в зависимости от поллютантов (полиметаллическое загрязнение тяжелыми металлами), загрязнение кадмием (Cd);
изучение адаптогенного действия ЭБ на растения в условиях низких температур;
оценка эффективности способов применения ЭБ (сроки применения, способы обработки семян и растений, совместимость с другими биостимуляторами);
разработка методологии экологического подхода для оценки суммарного состояния агроценоза: системные исследования с развитием комплекса методов биотестирования для комплексной характеристики действия используемых агрохимических средств;
усовершенствование (модификация методики и автоматизация выполнения) методов биотестирования с целью определения активности и специфичности действия БАВ.
Защищаемые положения:
Устойчивость агроценоза в условиях изменяющихся экологических факторов во многом продиктована компенсирующим действием в нём биопрепаратов (24-эпибрассинолид, хлорхолинхлорид) в комплексе с агрохимическими средствами, функционирующими в системе почва - растение.
Важная экологическая роль экзогенного использования фитогормона ЭБ проявляется в усилении адаптации растений к поллютантам, низким положительным температурам и обусловлена регулированием связи с обеспеченностью почвы питательными макро - и микроэлементами (NPK и Zn) в агроценозе.
Системи подход и комплексная оценка с привлечением биотестирования позволяет установить протекторные особенности действия РРР (в частности ССС) при использовании ХСЗР в агроценозе.
Научная новизна:
Разработан комплексный метод для суммарной экологической оценки агроценоза, позволяющий учитывать совокупное действие как негативных факторов, ингибирующих биологические процессы в системе почва - растение, так и позитивных, стимулирующих защитные эффекты.
Установлен характер связи протекторной роли ССС с учетом уровня плодородия почв, созданного органо-минеральной и минеральной системами. На примере исследований защитных особенностей действия ССС в связи с последствиями токсического действия химических средств защиты растений (ХСЗР) установлена системная экологическая роль РРР в агроценозе.
Экзогенное использование ЭБ с учетом внесения в почву минеральных удобрений позволяет характеризовать этот фитогормон как регулирующий адаптацию растений в условиях изменения физиологически востребованного оптимума по основным элементам питания.
Выполненная оценка экзогенного использования ЭБ с учетом внесения в почву разных доз цинкового удобрения подтвердила выше изложенный тезис. Экзогенное использование ЭБ в процессе вегетации повышает адаптацию растений к дефициту или избытку цинка.
Установленное адаптогенное действие ЭБ к низким температурам (на примере реакции ячменя) демонстрирует его динамичность ответа к факторам внешней среды.
Впервые установлены протекторные особенности действия ЭБ при загрязнении агроэкосистемы ТМ.
В экспериментах обоснован механизм защитного действия ЭБ, связанный как с фотосинтезирующей системой (в случае загрязнения Cd), так и с изменением проницаемости в мембранном комплексе (в случае действия низких температур).
Выполненная унификация методики суммарной экологической оценки агроценоза биотестированием позволяет оценить токсичность, вызванную влиянием негативных факторов и стимуляцию, которая характеризует буферность и адаптацию системы почва - растение.
Прикладное значение результатов работы
Экзогенное действие фитогормона ЭБ позволяет повысить эффективность используемых удобрений, усиливая устойчивость роста и развития растений к нарушениям в обеспеченности почвы элементами питания, которые могут быть вызваны антропогенными, климатическими и экологическими причинами. Урожай и его качество на современном этапе можно рассматривать в целом как процесс минерального питания растений и регулирования с применением БАВ запуска «Защитных экологических программ».
Новые физиологические аспекты действия ССС позволят осуществлять обработки ХСЗР с менее опасным их последствием не только для растений, но и для объектов окружающей среды. Определение экологических особенностей действия ССС диктует расширение сферы его использования. Экзогенное использования ССС совместно с ХСЗР повышает качество сельскохозяйственной продукции.
Успешность исследований цинковых удобрений и способов регуляции их транслокации с помощью ЭБ позволяет разработать агрохимические приёмы по эффективности использования цинка, что ведёт к повышению урожайности и увеличению содержания микроэлемента в культурных растениях.
В случае загрязнения почв высокими концентрациями цинка (Zn) возможно прибегать к использованию ЭБ для разработки технологических мероприятий по фитоэкстракции этого элемента. В случае загрязнения почв кадмием (Cd) применение ЭБ повышает качество растительной продукции и снижает концентрацию ТМ в растительном материале.
Криопротекторное влияние ЭБ на мембраны позволяет использовать его для смягчения влияния холодового стресса, если обрабатывать растения до или после снижения температуры окружающей среды.
Не только результаты по изучению функционального действия ЭБ, но и характеристики, полученные по способам его применения (сроки, дозы, сочетаемость с ГА3) расширяют диапазон его практического использования.
Унифицирование методики биотестирования с учетом её автоматизации позволяет оперативно вести экологический контроль в агроценозе. Система по биотестированию может быть использована для определения активной концентрации БАВ с целью практического их применения.
Апробация результатов диссертации
Основные положения диссертационной работы были представлены в виде устного сообщения на Ломоносовских чтениях (МГУ, 2005) на Всесоюзной научной конференции «Биология почв антропогенных ландшафтов» (Днепропетровск, 1991), научно-практической конференции «Основные направления получения экологически чистой продукции» (Горки, 1992), конференции «Экотехнология-96» (Иркутск, 1996), международной конференции "Гуминовые вещества в биосфере" (Москва, 2003), международном экологическом форуме "Сохраним планету Земля" (С-Петербург, 2004), П-Московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 2005), EuroSoil (Фрайбург, 2004), конференциях «Миграция загрязняющих веществ в почвах, в системе почва-вода, почва - растения, почва-атмосфера» (Москва, 1988), «ТМ в окружающей среде» (Пущино, 1996). Обсуждались материалы на Российских научно-практических конференциях, ежегодно проводимых Академией РАЕН в библиотеке РАСХН (2001, 2004, 2006). В виде постерных и устных сообщений материалы апробировались на физиолого-биохимических конференциях: "Регуляторы роста и развития растений в биотехнологиях" (Москва, МСХА им. К.А.Тимирязева, 2001); International Symposium " Biochemical interactions of microorganisms and plants with technogenic environmental pollutants" (Саратов, 2003); международной научной конференции «Проблемы физиологии растений севера» (Петрозаводск, 2004); на IV международной конференции «Регуляция роста, развития и продуктивности растений» (Минск, 2005). В виде устного доклада материал апробировался на научном семинаре кафедры агрохимии, на заседаниях кафедры (МГУ, ф-т почвоведения, 2004, 2007, 2008).
Связь с планами НИР и конкурсная поддержка
Работа является частью плановой тематики кафедры, выполнялась в рамках темы: «Эколого-агрохимическое обоснование путей воспроизводства плодородия и повышения продуктивности почв» № гос. регистрации 01.0.20.001721; «Агрохимические пути воспроизводства плодородия разных типов почв» № 01.2.00109763 и «Влияние ингибиторов нитрификации на превращение азота удобрений», № гос. регистрации 01850026289,1986. А также при частичной конкурсной поддержке по программе Университеты России и проектам РФФИ: № 94-04-12398-а «Эколого-биологические последствия возрастающего антропогенного воздействия на почву» (И); 03-04-49249
«Аспекты регуляции корневого и внекорневого питания с использованием комплекса минеральных удобрений и регуляторов роста» (Р).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 68 работ, включая 19 статей в научных журналах из списка ВАК, 26 - в сборниках и других журналах, 21 публикация - тезисы в материалах конференций. Результаты научных исследований защищены 2-мя патентами.
Структура и объем диссертации
