«Влияние фолиарной обработки селенитом натрия на продуктивность и качесвто зерновых культур в условиях разного минерального питания» Кирюшина Анастасия Павловна

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Роль селена в почве и живых организмах 10

1.1. Исторические аспекты изучения селена 10

1.2. Селен в организме человека и животных 14

1.3. Селен в растениях 17

1.4. Связь селена с аккумуляцией азота, фосфора и калия в растениях 21

1.5. Участие селена в формировании аминокислотного состава растений .. 23

1.6. Содержание селена в почвах и селеновые удобрения 27

ГЛАВА 2. Объекты и методы исследований 35

2.1. Материалы исследований 35

2.2. Метеорологические условия 37

2.3. Методы исследований 39

2.4. Агрохимическая характеристика почвы 44

ГЛАВА 3. Результаты и обсуждение 46

3.1. Влияние разных форм селена (селенит/селенат натрия) на развитие проростков растений 46

3.2. Влияние селена на формирование урожая и биомассу ячменя 48

3.3. Накопление селена в зерне и соломе ячменя 54

3.4. Влияние селена на аккумуляцию азота, фосфора и калия в зерне и соломе ячменя 60

3.5. Роль селена в формировании аминокислотного состава вегетативной и репродуктивной массы растения 68

3.6. Действие селена на растения зерновых культур в полевых условиях 76

Заключение 80

• Селен в организме человека и животных
• Участие селена в формировании аминокислотного состава растений
• Агрохимическая характеристика почвы
• Накопление селена в зерне и соломе ячменя

Введение к работе

Актуальность работы

В настоящее время существует много работ, посвященных обогащению селеном растительной продукции. Селен (Se) крайне важен для здоровья человека и животных (суточная доза от 50 до 100 мкг для взрослого человека) (Голубкина и др., 2002; Тутельян и др., 2002; Третьяк, Герасимов, 2007; Громова, Гоголева, 2007; Антипов и др., 2012; Roman et al., 2014). Главной причиной возможного недополучения селена с продуктами питания является дефицит его в окружающей среде, в частности, в почвах Нечерноземной зоны (Ermakov, 2001). Положительная роль селена отмечена в его способности в оптимальных дозах влиять на продуктивность и урожай зерновых культур, на синтез белка, улучшение фотосинтетической способности, на устойчивость к стрессовым факторам среды (Щукин и др., 2005; Серегина, 2007; Нимажалова, Абашеева, 2009; Яковлев, 2014; Nawaz et al., 2014; Надежкина, 2016). Существуют исследования, подтверждающие связь накопления селена в растениях с содержанием фосфора в почве (Li et al., 2008; Hawrylak-Nowak, 2008). Однако механизмы этой зависимости остаются неизвестными. Довольно подробно описана взаимосвязь селена с азотом и с синтезом отдельных селенсодержащих аминокислот в растении (Terry et al., 2000; Серёгина, 2008; Marschner, 2011), но отсутствуют данные о взаимосвязи селена с характеристикой состава свободных аминокислот в репродуктивной и вегетативной массе растений.

Для регуляции уровня селена в сельскохозяйственной продукции необходимо изучение взаимодействия селеновых и основных минеральных удобрений (азот, фосфор, калий - NPK). Важно понимать роль агрохимических факторов в эффективном использовании селеновых удобрений. С одной стороны, селен может выступать как регулятор солевого стресса в условиях избытка минеральных элементов (Djanaguiraman et al., 2005; Hawrylak-Nowak, 2009). С другой стороны, уровень минерального питания может влиять на метаболизм селена в растении (Дудецкий, 1998).

В литературе описан опыт по внесению селеновых удобрений в почву (Aro et al., 1995), по предпосевной обработке семян (Серегина, Ниловская, 2001; Головацкая, Кулагина, 2012) и внекорневой (фолиарной) обработке растений на лист (Milovac et al., 1996; et al., 2013; Nawaz et al., 2015). Каждый из этих способов внесения имеет свои особенности, которые важно учитывать при использовании в земледелии в условиях изменяющихся агрохимических факторов. Фолиарная обработка селенитом натрия представляет интерес с точки зрения эффективности обогащения растений селеном (Gissel-Nielsen, 1986; Nawaz et al., 2015).

Изучение влияния селена на урожай и продуктивность зерновых культур, на аккумуляцию азота, фосфора и калия в зерне и соломе в зависимости от разного уровня минерального питания требует дополнительных вегетационных и полевых исследований. Для сельскохозяйственных угодий в центрально-европейской части России эти вопросы изучаются многими исследователями, но по-прежнему остаются не охваченными многие особенности взаимодействия селена с факторами среды и оценка его эффективности при фолиарной обработке злаковых культур.

Цель исследования

Изучить влияние фолиарной обработки растений селенитом натрия с возрастающими концентрациями селена на продуктивность и качество ячменя (Hordum vulgre L.) при разных уровнях минерального питания (азота, фосфора и калия - NPK).

Задачи исследования

1. Сравнить влияние разных соединений селена (селенит и селенат натрия) на развитие проростков семян однодольных (Hordum vulgre L.) и двудольных (Raphanus sativus L.) растений.

2. Исследовать зависимость накопления селена в зерне и соломе ячменя (Hordum vulgre L.) и пшеницы (Triticum aestivum L.) от концентраций селена в растворе селенита натрия при фолиарной обработке.

3. Выявить влияние селена на формирование урожая зерна и биомассу ячменя при разных уровнях минерального питания (NPK).

4. Оценить взаимосвязь поступления в растения селена и основных питательных элементов – азота, фосфора и калия.

5. Определить влияние селена на аминокислотный состав в вегетативной и репродуктивной частях растений.

Основные положения, выносимые на защиту

Для оптимального обогащения зерна селеном при фолиарной обработке ячменя селенитом натрия на дерново-подзолистой почве содержание его в растворе не должно превышать 0,01 % (100 мг/л).

Взаимодействие селена с основными макроэлементами питания наиболее четко проявляется при высоких концентрациях селена (0,05 %) в рабочем растворе и высоких дозах минеральных удобрений (150-200 мг д.в./кг почвы NPK).

Селен усиливает поступление азота и калия в растения, увеличивая аттрагирующую способность колоса и накопление этих элементов в зерне.

Научная новизна

Впервые установлено, что в условиях повышенных доз минеральных удобрений, оказывающих слабое стрессовое воздействие на растения, на дерново-подзолистой почве проявляется положительный эффект фолиарной обработки селенитом натрия на формирование урожая ячменя.

Доказано, что повышенный уровень минерального питания (NPK 150-200 мг д.в./кг почвы) снижает содержание Se в зерне и соломе ячменя при фолиарной обработке большими концентрациями (0,05 %) селена в фазу кущения. Фолиарная обработка в более позднюю фазу развития растения (фаза выхода в трубку) приводит к существенному увеличению содержания селена в зерне, превышающему содержание в соломе.

Показано, что применение селенита натрия способствует увеличению поступления не только азота, но и калия в растения ячменя и их аккумуляцию в зерне.

Установлено, что селен усиливает синтез свободных аминокислот в злаковых культурах, что подтверждает физиологическую значимость этого элемента для растений.

Проростки семян ячменя обладают более высокой чувствительностью к селениту натрия по сравнению с проростками семян двудольных растений (редис).

Практическая значимость

В результате проведенных исследований выявлены оптимальные условия обогащения сельскохозяйственной продукции селеном посредством фолиарной обработки селенитом натрия. Показана необходимость учета уровня минерального питания при определении концентрации вносимых селеновых удобрений. Установлена зависимость накопления селена в растениях от фазы развития при фолиарной обработке ячменя ярового.

Результаты исследований могут быть использованы в сельском хозяйстве для разработки практических рекомендаций по применению фолиарного внесения селеновых удобрений с целью повышения степени обогащённости продукции селеном и снижения риска дефицита селена в зерне.

Личный вклад автора

Все этапы работы были проведены лично автором или при его непосредственном участии, включая лабораторные исследования, закладку полевых и вегетационных опытов, химико-аналитические анализы, обработку и анализ полученных результатов.

Достоверность результатов исследований

Опытные варианты имели четырехкратную повторность. Полученные результаты прошли статистическую обработку с использованием программы Statistica 13.2 (ANOVA).

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на международных и всероссийских конференциях: Международной конференции «Биодиагностика в экологической оценке почв и сопредельных сред» (Москва, 2013); 9^th International Soil Science Congress on «The Soul of Soil and Civilization» (Antalya, Turkey, 2014); Международном конгрессе Евроазиатской Федерации обществ почвоведов «Почвоведение в Международный год почв 2015» (Сочи, 2015); Всероссийской конференции с международным участием «Агроэкосистемы в естественных и регулируемых условиях: от теоретической модели к практике прецизионного управления» (Санкт-Петербург, 2016); Международной молодежной школе «Биотестирование экологической безопасности продуктов и отходов современных технологий» (Москва, МГУ, 2016), а также заслушаны и обсуждены на заседаниях кафедры агрохимии и биохимии растений факультета почвоведения МГУ (2013 – 2016).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 14 работ, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией РФ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, обзора литературы (I глава), описания объектов и методов исследований (II глава), обсуждения результатов исследований (III глава), заключения, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 111 страницах, содержит 15 таблиц и 24 рисунка. Список литературы включает 189 наименований, из них 108 на иностранном языке.

Благодарности

Автор глубоко признательна своему научному руководителю д. б. н. Ворониной Л. П. и искренне благодарна к. б. н. Морачевской Е. В., д. с/х. н. Голубкиной Н. А. и д. б. н. Гармаш Н. Ю. за помощь в проведении полевых, вегетационных и аналитических исследованиях, а также всему преподавательскому коллективу кафедры агрохимии и биохимии растений факультета почвоведения МГУ за ценные советы и рекомендации, поддержку и помощь.

Селен в организме человека и животных

Мощным импульсом развитию разносторонних исследований микроэлемента селена (Se) послужило относительно недавнее открытие его эссенциальности для организма человека и животных. Долгое время, однако, его считали исключительно токсичным элементом. В современной литературе хорошо отражены исторические этапы в исследовании этого важного для живых систем элемента. Рассмотрим основные из них.

Селен был обнаружен в 14 веке Арнольдом де Вилланова. Он изучал осадок, появляющийся на стенках контейнера, используемого для выпаривания серы, Арнольд назвал его «красная сера» (Ермаков, Ковальский, 1974). Однако должного внимания «красной сере» не было уделено, а само открытие селена приписывается Якобу Берцелиусу, описавшего свойства нового элемента. Это произошло в 1817 г. в Швеции на фалунских пиритовых рудниках в местечке Грисхольм (Sharma et al., 2005).

В истории изучения биологически активных свойств селена выделяет три периода (Ермаков, 2004).

Селен как токсичный агент для живых систем воспринимался с 19 до начала 20 века. И даже еще до его открытия были описаны случаи отравления, как позднее выяснилось, селеном животных и человека. Токсичность селена была описана Марко Поло в путевых записях в 1295 г. во время путешествий в Западный Китай. Отец Педро Саймон в Колумбии описал пороки развития у животных и детей (потеря волос и ногтей), связанные с токсичностью селена в 1560 г. (Sharma et al., 2005). После открытия селена стали известны другие случаи токсикоза: отравление лошадей селеном (щелочная болезнь) в 1860 г. на территории штата Небраска и некоторых районах Великой равнины США. В 1931 г. доктор Генри Найт установил, что причиной токсикоза являлись растения, содержащие высокое содержание селена (до 1 г/кг зелёном массы, в основном в астрагалах). Селеновый токсикоз у животных, связанный с избытком данного элемента в растениях и почвах, был установлен во многих странах (Rosenfeld, Beath, 1964). Однако на данный момент известно, что гиперселеновые биогеохимические провинции занимают сравнительно небольшую территорию, и крайне редко распространены, особенно в условиях гумидного и полугумидного климата (Ермаков, Ковальский, 1974).

Второй этап в исследовании селена связан с анализом необходимого содержания этого элемента для обеспечения жизнедеятельности животных и человека. Во время этого периода изучения селена (примерно с 1931 по 1957 гг.) к данному элементу был проявлен большой интерес как к необходимому элементу для организмов животных и человека, недостаток которого ведёт к заболеваниям. Шварц и Фольц провели ряд экспериментов по предотвращению некроза печени у крыс и экссудативного диатеза цыплят (заболевания селеновой недостаточности) очень низкими дозами селенита натрия. Это послужило началом использования соединений селена в терапии заболеваний (Schwarz, Foltz, 1957). Был продемонстрирован защитный эффект селена против беломышечной болезни домашнего скота, развивающейся при дефиците данного элемента в корме (Sharma et al., 2005). В связи с этим возрос интерес к роли микроэлемента в сельском хозяйстве. Было доказано, что недостаток селена в пище у животных приводит к развитию миодистрофии, кардиомиопатии и циррозу печени. Около сорока заболеваний человека (в числе которых болезнь Кешана, Кашина-Бека, болезни кожи, волос, ногтей, кардиопатия, замедление роста у детей, катаракта и другие) связано с недостатком потребления селена (Лосева, Шпагина,1989; Sсhrauser, 2003).

В сельском хозяйстве в данный период также находятся подтверждения стимулирующего действия селена на урожай культур в малых количествах. Так, в 1938 г. Перкин показал, что малые дозы селената и селенита натрия оказывают стимулирующее влияние на рост зерновых культур. Под действием селена (при внесении 2,5 мг/кг почвы) повышалась всхожесть семян и урожай зерна. Признаки токсикоза проявлялись в дозах, превышающих 8 мг/кг почвы. В этот же период стали обращать внимание на связь серы и селена в растении, подчёркивалось то, что метаболизм данных элементов является очень схожим, но не идентичным (Painter, Franke, 1940).

Дальнейшие работы по исследованию воздействия разных форм и концентраций селена на рост и развитие сельскохозяйственных культур начали активно проводиться во второй половине 20 века, что связано с развитием методов определения селена: атомно-абсорбционная спектрофотометрия, газовая и жидкостная хроматография, нейтронно-активационный анализ, масс спектрометрия, флуориметрия, инверсионная вольтамперометрия. На современном этапе широко известны терапевтические свойства селена и его ценность как микроудобрения в сельском хозяйстве. Началом этого третьего периода изучения селена (с 50-х годов 20 века по н.в.) послужило открытие селенсодержащего фермента глутатионпероксидазы (1957 г.), нейтрализующего активные формы кислорода и свободные радикалы в живых клетках (Rotruck et al., 1972), и выявлением обширных территорий с низким содержанием селена в среде, кормах и продуктах питания. Для этого периода характерно прочное укрепление селеносодержащих препаратов на фармакологическом рынке, использование специальных пищевых добавок для преодоления дефицита селена по всему миру (Свечникова и др., 2010; Дерягина и др., 2010; Саноцкий, 2010; Лебенгарц, Киселёв, 2010). В нашей стране большое количество работ посвящено воздействию селена в форме биологической добавки в комбинированные корма для разных видов сельскохозяйственных животных (Шевченко, Ноздрин, 2010; Соболев, 2012 а,б). Препаратами первого поколения (в 1970-е гг.) являлись неорганические формы селена – селенит и селенат натрия (Ермаков, 2004). В 1984 г. был получен синтетический селенометионин – первый из органических форм, обладающий значительно большей биологической активностью по сравнению с предшественниками. Он стал на многие годы основной пищевой формой селена. В настоящее время существует несколько органических селенсодержащих препаратов: селеноцистеин, селенопиран, эбселен и кроме того, дрожжи, обогащённые селеном (Жильцова и др., 1998; Голубкина и др., 2003).

Участие селена в формировании аминокислотного состава растений

В некоторых европейских странах (Скандинавия, Финляндия, Швеция и др.) для поддержания оптимального уровня селена в почвах была принята долгосрочная программа по использованию селеновых удобрений (Aro, Alfthan, 1995). Доза составляла 16 мг на кг макроудобрений (под зерновые и пропашные культуры), 6 мг на кг макроудобрений для кормовых культур. При этом количество селенатов не должно превышать 10-12 г, а селенитов – 50-100 г на 1 га (Торшин, Удельнова, 1995). За 10 лет применения селеновых удобрений был достигнут оптимальный уровень селена в сыворотке крови взрослого населения этих стран (115-120 мкг/л), содержание селена в зерне пшеницы, ячменя и овса было увеличено более, чем на порядок – с 10 до 230 мгк/кг (Koivistoinen, Huttunen, 1986; Alfthan et al., 1991). В 2000 г. программа по внесению селеновых удобрений была прекращена, т.к. увеличился риск загрязнения окружающей среды микроэлементом, адсорбирующимся в почвах, а также ввиду того, что коэффициент использования селена из удобрений, вносимых в почву оказался крайне низок: всего 0,2% (Голубкина и др., 2003).

В Белоруссии были разработаны практические рекомендации по применению селеновых удобрений в технологиях возделывания зерновых и кормовых культур (Рак и др., 2010). Для обогащения пшеницы рекомендуется проводить внекорневую подкормку селенитом натрия в дозе 60 г/га в стадию первого узла. При подкормке на более поздних стадиях развития пшеницы для достижения оптимального уровня селена в зерне, нужно использовать более низкие концентрации селенита натрия. Фолиарная обработка кукурузы селенитом натрия в дозах 30 – 90 г/га в фазу вытягивания стебля также приводит к оптимальному уровню накопления микроэлемента в зерне, хотя и не влияет на увеличение урожайности зеленой массы и початков. Отмечается, что с ростом азотных удобрений (с 130 до 160 кг/га) снижается содержание селена в зерне пшеницы при внекорневой подкормке селеном, что связано с эффектом биологического разбавления (Рак и др., 2010).

Применение селена необходимо не только для повышения обеспечения селеном животных и человека, но и с целью выживаемости сельскохозяйственных культур в вегетационный период, а также для увеличения их урожайности, в условиях действия неблагоприятных экологических факторов: засухи (Kuznetsov et al., 2003; Germ et al., 2007; Yao et al., 2009; Вихрева, 2011), засоления (Kong et al., 2005; Djanaguiraman et al., 2005; Hawrylak-Nowak, 2009), присутствия тяжёлых металлов (Srivastava et al., 2009; Cartes et al., 2010), влияния низких температур (Солдатов, Расчётова, 2013).

Внесение селеновых удобрений обладает стимулирующим эффектом на росте и развитии райграса (Hartikainen et al., 2000), салата (Xue et al., 2001), картофеля (Turakainen et al., 2004), сои (Djanaguiraman et al., 2005), зелёном чае (Hu et al., 2001), зерновых культурах (Денисенко, 2007; Вихрева, 2011; Серегина, 2008). При этом положительное воздействие объясняется способностью селена улучшать усвоение азота растением (Aslam et al., 1990), усиливать фотосинтетическую активность (Habibi, 2013) и митотическое деление клеток.

Обсуждается эффективность разных способов внесения селеновых удобрений: в почву, фолиарно (внекорневая подкормка на лист) и предпосевной способ обработки семян (Gissel-Nielsen, 1986). Как было упомянуто ранее, каждый способ имеет свои преимущества и свои недостатки. Так, внесение селеновых удобрений в почву осложняется возможностью адсорбирования селена в почве, потерей его от вымывания с осадками и улетучиванием за счёт почвенной микрофауны, а также перехода в недоступные формы – селенид и элементарный селен. При этом возникает риск загрязнения окружающей среды селеном (Голубкина и др., 2003). Эффективность включения селена из удобрений при внесении в почву крайне низка – 0,2%. Фолиарная обработка растений имеет свои преимущества: селен сразу включается в метаболизм клеток, коэффициент использования элемента из удобрений составляет 2-4% (Голубкина и др., 2003; Ducsay, Loek, 2006; Шубина, 2013). Для фолиарной обработки более пригоден селенит натрия, чем селенат натрия. Селенит легче фиксируется и сорбируется через листья, постепенно усваивается растениями без опасности создания в них высоких концентраций микроэлемента (Gupta, Watkinson, 1985).

В работах разных исследователей тестируются дозы селена в диапазоне (для фолиарной обработки раствором селенита или селената натрия) от 0,5 до 30 г/га (от 10 до 100 мг/л) (Ducsay, Loek, 2006; Ducsay et al., 2010; Кашин, Шубина, 2011; Habibi, 2013), а также от 0 до 230 г/га (Wang et al., 2013). Отмечено, что доза селена 500 г/га при фолиарной обработке может снижать урожай пшеницы (Lyons et al., 2005). Дозы селена, вносимые в почву могут варьировать в пределах от 40 до 320 мкг/кг почвы (Ковалевич, Головатый, 2010).

Выбор стадии развития зерновой культуры для обработки селеном зависит от культуры и сорта. Так, в экспериментах, поставленных на португальских сортах твердой и мягкой пшеницы, было показано, что для сорта твердой пшеницы Мариалва (Marialva) наиболее эффективной оказалась обработка на стадии налива зерна, а для сорта мягкой пшеницы Йордо (Jordao) – обработка на стадии выхода в трубку (Galinha et al., 2013). Белорусскими исследователями отмечается, что доза селена при фолиарной обработке селенитом натрия должна быть снижена в поздние сроки роста и развития пшеницы по сравнению с обработкой в ранние сроки (стадия первого узла) для получения оптимально обогащенной селеном продукции (Рак и др., 2010).

Таким образом, к настоящему времени накоплен значительный опыт по использованию селеновых удобрений в сельском хозяйстве для обогащения продукции селеном. Тем не менее, исследования влияния разных форм селена и способов его внесения на развитие и продуктивность сельскохозяйственных культур в условиях разного почвенного питания, продолжает оставаться актуальными.

Агрохимическая характеристика почвы

В 2011г. в вегетационном эксперименте обработка селенитом натрия с концентрацией селена 0,05% привела к значительному накоплению селена в зерне (табл.8). Содержание его при обработке 0,05%Se составило 2120 - 2674 мкг/кг при максимально допустимом уровне (МДУ) 800 мкг/кг (Golubkina, 2007). Снижение используемых в опытах концентраций селена до 0,01 % и 0,005 % (2012 и 2014 гг.) привело к меньшей аккумуляции селена в зерне: 974 и 333 мкг/кг, соответственно (рис. 15).

Фаза развития ячменя, в которую проводилась фолиарная обработка селенитом натрия, сыграла существенную роль в перераспределении селена в растении и его накоплении. Так, в 2011 и 2014 гг. обработка селенитом натрия проводилась в фазу начала кущения, когда основной поток питательных веществ направлен на рост вегетативной массы растения. Вероятно, селен включался в органическую форму селенометионина, которая плохо транспортировалась по растению, из корня в стебель и из листа и стебля в зерно (Zayed at el., 1998). Это способствовало тому, что содержание селена в соломе было выше в 2-3 раза, чем в зерне. Кроме того, известно, что внесение микроудобрений на ранних фазах развития растений в меньшей степени влияет на колос, чем на вегетативную массу растения (Austenfeld, 1979). В 2012 г. обработка селенитом натрия проводилась в фазу выхода в трубку (стадия лигулы, флаговый лист сформирован). Основной поток питательных веществ направлен в данный период в репродуктивные органы. Это привело к большей аккумуляции селена в зерне, в котором содержание данного элемента составило 4012 – 4091 мкг/кг, выше чем в соломе в 2 – 2,5 раза и существенно выше, чем в 2011 и 2014гг. Возможно, при опрыскивании в данную фазу не весь селенит успевал синтезироваться в органическую форму, но мог свободно транспортироваться в развивающуюся репродуктивную часть растения, где в дальнейшем принимал участие в синтезе аминокислот (что подтвердилось результатами аминокислотного анализа за 2012 г.).

Уровень минерального питания влиял на аккумуляцию селена в ячмене в вариантах без фолиарной обработки селенитом натрия и в вариантах с фолиарной обработкой (только 0,05% Se).

В контрольных вариантах (без обработки селенитом натрия) минеральные удобрения по-разному повлияли на поглощение селена из почвы и его аккумуляцию в растении. Так, в 2011 г. внесение высокой дозы NPK снижало содержание селена в ячмене, что вероятно связано с эффектом биологического разбавления (Gupta et al., 1982; Дудецкий, 1998), т.к. в этом случае значительно увеличивались биомасса и урожай культуры, а коэффициент использования элемента из почвы не менялся (составлял 0,2 %). Содержание селена в зерне и соломе уменьшалось в 1,6 (с 114 до 73 мкг/кг) и в 1,7 раз (со 100 до 58 мкг/кг), соответственно (табл. 8). В 2012 г. внесение высокой дозы NPK существенно не повлияло на прирост общей биомассы, но опосредованно усилило поступление селена в растения из почвы, вероятно, за счет подкисления почвенного раствора и высвобождения тем самым биодоступного селена. Коэффициент использования селена из почвы возрос с 0,2 до 0,5%. Содержание данного элемента в зерне и соломе увеличилось в 2,2 (89 до 197 мкг/кг) и 2,8 раз (с 64 до 178 мкг/кг), соответственно (табл. 8). С другой стороны, важно учитывать, что селен может быть сопутствующим элементом фосфатов. Примесь его может составлять от 1 до 300 мкг/кг. (Ермаков, 2004). Содержание данного элемента в почве могло увеличиваться от внесения суперфосфата и, как следствие, в растении. Подобная обогащённость почв селеном от фосфорных удобрений наблюдается на полях Японии от длительного применения фосфорных удобрений (Altansuvd et al., 2014).

Высокое содержание селена в зерне (2674 – 2974 мкг/кг) и соломе (8461 – 8663 мкг/кг) ячменя, вызванное обработкой 0,05 % Se в фазу кущения, снижалось действием повышенной и высокой дозы NPK. При повышенной дозе в 2014 г. содержание селена в зерне уменьшилось на 17 % (с 2916 до 2419 мкг/кг), а в соломе на 16 % (с 8663 до 7284 мкг/кг) (табл. 8). При внесении высокой дозы NPK в 2011 г. содержание Se снижалось на 21 % (с 2674 до 2120 мкг/кг) в зерне и на 14 % (с 8461 до 7330 мкг/кг) в соломе. Подобный эффект был получен по причине взаимодействия двух факторов: концентрации селена (0,05%) и дозы NPK (рис. 16).

На высокой дозе NPK (200) снижение содержания элемента, вероятно, было связано с эффектом биологического разбавления (Рак и др., 2010). Однако коэффициент использования селена из удобрений в данном случае увеличивался с 2,0 до 3,2% (табл. 8). Поэтому не исключено, что снижение содержания селена могло быть связано с усилением улетучивания селена с поверхности растения в виде диметилселенида за счет повышения активности фермента селеноцистеин метилтрансферазы (Neuhierl and Bock, 1996), вызванной повышением минерального питания и высокой дозой селенита натрия (0,05 %). По этой же причине, возможно, происходило снижение содержания селена в зерне и соломе ячменя под влиянием повышенной дозы NPK (150). Кроме того, возможен был отток селена из надземной части растения в корни (Terry et al., 2000). Известно, что улетучивание селена с поверхности корней происходит гораздо интенсивнее, чем с поверхности листьев и стебля (Brown, Shrift, 1982).

Содержание селена в зерне ячменя в зависимости от дозы NPK в условиях разных концентраций селена (0 – 0 % Se; 1 – 0,005 % Se; 2 – 0,01 % Se; 3 – 0,05 % Se) при p 0,05. Statistica 13.2. Накопление селена в зерне и соломе ячменя (мкг/сосуд) увеличивалось под действием возрастающих концентраций селена и с ростом биомассы растений (табл. 8). Однако влияние на него минеральных удобрений практически не отразилось, за исключением воздействия повышенной дозы NPK в 2014 г. при внесении 0,05 % Se: снижение аккумуляции селена в зерне и соломе ячменя. Коэффициент использования селена из удобрений варьировал в пределах 1,7 – 3,6% для всех вариантов трёх лет.

Накопление селена в зерне и соломе ячменя

Возможно, что селен, увеличивал использование азота из минеральных удобрений с ростом дозы минеральных удобрений, т.к. при высокой дозе NPK возрастание суммы было больше, чем при оптимальной дозе NPK. Сумма аминокислот возрастала более интенсивно в соломе, чем в зерне в ответ на обработку селенитом натрия. Это свидетельствует о том, что основной синтез аминокислот проходит в вегетативной части растения. Рост суммы в зерне, свидетельствует о возможном прямом или опосредованном (усиление физиологической роли калия) участии селена в транспорте азотистых соединений из вегетативной части в репродуктивную.

В зерне фолиарная обработка селенитом натрия в условиях оптимальной дозы NPK увеличивала (в большей или меньшей степени) содержание практически всех аминокислот за исключением пролина (уменьшение с 1651,3 до 1555,3 мг/100г) и тирозина (с 224,5 до 82,9 мг/100г) (табл. 12). Значительный рост глутаминовой и аспарагиновой кислот в зерне и соломе под влиянием селена говорит об увеличении поступления азота в растение и усиление его транспорта (рис. 21). Содержание глутаминовой кислоты, как субстрата для синтеза многих других аминокислот (Forde, Lea, 2007), значительнее возрастало в соломе, чем в зерне. Аккумуляция аспарагиновой кислоты больше возрастала при высокой дозе NPK, что может указывать не только на возрастание поступления азота в растение, но и на наличие стрессов для ячменя (вероятно, избыток минерального питания) (Lea et al., 2007).

Содержание аспрагиновой (Asp) и глутаминовой (Glu) кислот в зерне (а) и в соломе (б) ярового ячменя в зависимости от дозы NPK и селена. Серосодержащих аминокислот в анализе растительного материала в количественном соотношении было обнаружено немного, что естественно для характеристики зерновых культур (Новиков, 2005), но возможны и потери в ходе анализа (при гидролизе аминокислот) (Баландина и др., 2002). Однако их биохимическая функция очень важна для качественной характеристики зерна, она связана со структурными особенностями запасного белка (Хелдт, 2014). Значительно выросло содержание цистеина в зерне под действием селена: в варианте N100P100K100+0,05%Se в 2 раза (с 58,3 до 116,1 мг/100г), в варианте N200P200K200 + 0,05%Se в 1,6 раз (с 21,7 до 35,3 мг/100г). Содержание серосодержащей кислоты метионина в условиях оптимальной дозы NPK (100) от обработки селенитом натрия увеличивалось незначительно (всего на 6 %), а в условиях высокого уровня минеральных удобрений (200) – на 23 % (рис. 22).

Вполне вероятно, что более активное накопление цистеина и метионина связано с синтезом селеноцистеина и селенометионина. Анализ не дает возможности разделить серосодержащую и селеносодержащию аминокислоты, а пути синтеза данных аминокислот схожи (Ravanel et al., 1998; Terry, 2000). Обращает на себя внимание то, что изменений по содержанию цистеина в соломе практически не наблюдалось под воздействием селена, а метионина возрастало на 34 % (N100P100K100 + 0,05%Se) и на 68 % (N200P200K200 + 0,05%Se). Можно предположить, что в вегетативной массе ячменя происходило накопление преимущественно селенометионина, а в репродуктивной части растения селеноцистеина в условиях обработки селенитом натрия.

В соломе аналогично происходил рост содержания каждой аминокислоты при обработке селенитом натрия. Значительно выросло содержание пролина на двух дозах NPK: с 175,6 до 479,3 мг/100г и с 403,7 до 1264,4 мг/100г, соответственно оптимальной и высокой дозе минеральных удобрений (рис. 23). Вероятно, это связано с ростом содержания солей в вегетативной массе за счёт усиления поступления питательных соединений в растение в присутствии селена. Известно, что накопление пролина может быть связано с увеличением концентрации солей в растении (Paek et al., 1988; Miranda et al., 2014).

Таким образом, прослеживается определённая закономерность возрастания содержания большинства аминокислот в зерне и соломе ячменя под влиянием селена, что вероятно, в первую очередь связано с более интенсивным поступлением азота в растение. Наибольшее увеличение суммы аминокислот наблюдалось в вегетативной массе ячменя, где протекает их основной синтез, отток аминокислот в зерно усиливался под влиянием селена. Это подтверждает способность селена усиливать аттрагирующую способность колоса зерновых культур.

В полевых условиях был заложен опыт с яровым ячменем и с яровой пшеницей для оценки эффекта фолиарной обработки в условиях, наиболее приближенных к естественным агроценозам.

Эксперимент с яровым ячменем подтвердил закономерности (по накоплению селена в зерне и соломе, по формированию урожая и выносу макроэлементов), полученные в вегетационных опытах. Фолиарная обработка ячменя селенитом натрия с концентрацией селена 0,05% привела к росту массы зерна с 13,5 до 18,4 г и массы соломы с 48,7 до 62,9 г (табл. 13). Однако масса 1000 зёрен снизилась на 1,7 г.

В опытах с яровой пшеницей достоверных изменений биомассы под влиянием селена не происходило, что может быть связано и с низкими нормами расхода раствора селенита натрия (100 л/га).