Способ предпосадочной обработки клубней картофеля

Изобретение относится к области сельского хозяйства. Способ включает обработку клубней стабилизированным электрохимически активированным католитом с рН 7-9 и редокс-потенциалом Eh=-400÷-500 мВ, стабилизированным аминокислотой глицином в концентрации 0,01 мас. %, и содержащим наночастицы железа Fe размером 80 нм и оксида кремния SiO₂ размером 25 нм в весовом соотношении 1:3. Концентрация в католите НЧ Fe – 16⋅10^-4 моль и НЧ SiO₂ – 6⋅10^-3 моль под давлением 9,8-14,7 Па на установке с вращающимся барабаном с частотой вращения барабана 10 об/мин, время обработки 5 мин. Способ обеспечивает повышение энергии прорастания и всхожести. 4 табл.

 

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может найти применение при совершенствовании технологии возделывания картофеля.

Цель изобретения - стимулирование роста и развития растений.

Для ускорения энергии прорастания и всхожести клубней картофеля, а также в целях повышения его урожайности широко применяются предпосевные электро-, физио- и био- обработки [1, 2, 3].

При проведении предпосевной электростимуляции семян зерновых культур в 40-ые годы XX века были выявлены явления: повышения всхожести, увеличение, как корней, так и листостебельной массы растений, развития скороспелости, повышения продуктивности культур и их качества [4, 5].

В интактном растительном организме формирование новых тканей и органов, составляющих основу роста и развития растений, находятся под постоянным влиянием эволюционно сложившихся и взаимосвязанных генетической, метаболической, гормональной, электрофизиологической и других систем [6, 7, 8].

Классическими экспериментами [9, 10, 11] достоверно установлено, что любой растительной клетке присуща электрическая полярность. При этом внутренняя часть клетки заряжена отрицательно по отношению к внешней среде и существующая напряженность может достигать до 100000 В/см [12, 13]. Между надземной и подземной массой растения во все периоды его роста и развития существует электрическая разность потенциалов, которая поддерживается электромагнитным полем земли и атмосферы. Причем корень по отношению к стеблю имеет положительный потенциал, стебель по отношению к корню - отрицательный. Постоянное напряжение находится в пределах 15-25 мВ, а плотность электрического тока достигает 4-8 мкА/см².

Проведенный нами анализ результатов научных исследований [2, 3 … 11, 12] по вопросам предпосевной обработке семян позволили нам сформулировать направление в разработке предлагаемого способа обработки клубней картофеля, сущность которого заключается в воздействии «электрохимической активации» (ЭХА) на систему тканей и крахмалистобелковую массу, которая в свою очередь изменила биоэлектрический потенциал клубня.

Используя достижения нанотехнологии применения наночастицы (НЧ) при обработке клубней картофеля совместно в смеси с католитом, как допинг преодоления негативных воздействий [14], представляется возможность значительно повысить их энергию прорастания и всхожести [15, 16].

Известно, что недостаток кремния сдерживает рост и развитие растений. Выводы ведущих мировых ученых выдвигают свойства кремния на первое место [17]. При улучшении кремниевого питания повышается эффективность фотосинтеза и активность корневой системы [18].

Известно и возбуждающее влияние наночастиц железа на повышение энергии прорастания и всхожести семян, подтвержденное результатами исследований [19, 20, 21].

Аналогами - прототипами предлагаемого изобретения является способ обработки семян в вакуумной среде [21] с применением в растворе католита биологически активных наночастиц железа и оксида кремния [19].

Для решения задачи повышение эффективности применения представляемого способа нами совмещено их влияние под давлением в пределах 9,8-14,7 Па (1,0-1,5 кгс/м²).

Анализ доступных источников информации не выявил применения наночастиц железа Fe оптимальной дозировки [23, 24] и НЧ оксида кремния SiO₂ в смеси с католитом при обработке под давлением, как способ биостимуляции прорастания клубней картофеля. При этом задачей являлось и установление времени обработки при оптимальной дозировке НЧ SiO₂ в сочетании с оптимальной для НЧ Fe в растворе католита.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует патентоспособности «новизна».

Целью изобретения является повышение энергии прорастания и всхожести семенного картофеля. Поставленная цель достигается тем, что согласно предлагаемому способу клубни обрабатываются под давлением 9,8-14,7 Па в эмульсии ЭХА католитом с НЧ Fe и SiO₂ с рН 7-9 и редокс-потенциалом Eh=-350-450 мВ, стабилизированного аминокислотой с глицином в количестве не менее 0,001 мас. % на установке с вращающимся барабоном с частотой 10 об/мин в течении 5 мин.

При эксперименте использовали наночастицы Fe производитель ООО «Передовые порошки технологии» г. Томск и SiO₂ производитель «Плазмотерм» г. Москва, ул. Тарутинская, д. 1

Для проверки результатов достижения поставленной цели в нашем эксперименте предпосевной обработке клубней семенного картофеля проращивание клубней осуществляли в вегетационной камере в течение 10-15 дней.

Использование предлагаемого способа электрохимической активации клубней картофеля позволяет исключить предпосадочное проращивание яровизацию в течение от 40-60 дней, полнее использовать генетический потенциал, заложенный в сорте путем интенсивного прорастания жизнеспособной почки в течение 10-15 дней.

Для опыта использовали

Сорт картофеля Ицил (селекционный номер 03.9.7), отобран из ботанических семян, полученных от скрещивания сортов Кондор и Фреско в лаборатории селекции картофеля ФГБНУ «Южно-Уральский научно-исследовательский институт садоводства и картофелеводства».

Режим обработки клубней картофеля представлены в табл. 1.

Для дезинфекции клубней картофеля при их подготовке к опыту обрабатывали 0,01%-ом растворе марганцово-кислого калия.

Предлагаемый нами стабилизатор демонстрирует устойчивую противомикробную и противогрибковую активность, длительную сохранность редокс-потенциала катодного водного раствора и представляет собой аминокислоту из группы полярных (гидрофильных) незаряженных аминокислот в количестве не менее 0,01 мас. %, в нашем эксперименте глицин [25].

Водный раствор католита с рН 7-9 и редокс-потенциалом - 400-500 мВ получали в эксперименте путем электролита водопроводной воды с помощью биоэлектроактиватора «Эсперо-1».

Исходные данные используемой водопроводной воды в опыте соответствовали требованиям СанПин 2.1.4.1074-01.

Результаты эксперимента представлены в таблице 2.

Подсчет энергии прорастания показал, что способ обработки картофеля под давлением 9,8-14,7 Па в течение 5 минут дает прибавку к контролю, II и III вариантам 22%, 32% и 42%, а также всех биометрических показателей почти в 2 раза.

Сильное ингибирующее прорастание показал III вариант обработки до 50%, особенно отчетливо видно подавляющий рост ростков до 21,6%, а корней до 33,9% в сравнении с I способом обработки (табл. 2).

По I варианту содержание хлорофилла (а+b) и каратиноидов превысило контроль, II и III вариантов соответственно на 7,5-37,5%, на 26,6-50% (табл. 3).

Изменение метаболизма определить по активности или изоферментному спектру ключевых ферментов - АО (антиоксиданты). Результаты опыта показали, что резкое увеличение ферментов супероксиддисмутазы (СОД) и каталазы (КАТ) в ростках картофеля в сравнении с контролем проявлялась при увеличении времени обработки на 3,9-10,1% и 5,9-100% соответственно.

В качестве биологического индикатора развития окислительного стресса растений используют продукт ПОЛ (перекисное окисление липидов) мембран - малоновый диальдегид (МДА). По современным представлениям НЧ металлов способствуют механическому разрушению мембранных структур, в результате изменения которых удваивается вероятность поступления металлов в клетки. В результатах наших исследований наблюдается, снижение МДА в I варианте обработки в сравнении с контролем, II и III способом обработки, что свидетельствует о сохранении целостности клеточных мембран и, как следствие, об успешной адаптации растений к наночастицам.

Напротив, происходило небольшое снижение фенольных соединений (ФС) в листьях и корнях, причем во всех вариантах обработках. Тенденцию к снижению ФС при воздействии можно объяснить либо низкой скоростью синтеза исследуемой группы веществ, либо слабым проявлением окислительного стресса в проростках, следовательно, не востребованностью ФС в качестве элементов АОС. По-видимому, растения в среде железосодержащих и оксида кремния НЧ в полной мере справляются с «тушением» АФК благодаря снижению содержания ФС за счет их окисления.

Использование пероксидазы - как маркера стрессового состояния позволяет более полно характеризовать защитные ходы для диагностики устойчивости к стрессовым факторам. При обработке клубней картофеля НЧ Fe 16⋅10^-4 Моль и НЧ SiO₂ 3⋅10^-3 Моль показано, что ростках увеличилась активность пероксидазы в сравнении с контролем в 2 раза. Причем с увеличением времени обработки вызывалось меньшее увеличение активности пероксидазы (табл. 4).

Приведенные данные свидетельствуют о высокой эффективности предпосадочного способа обработки клубней картофеля под давлением 9,8-14,7 Па в течение 5 минут по I варианту. Этот способ гарантирует прибавку по всем морфометрическим и морфофизиологическим показателям модели таким образом увеличит урожайность на 20-25%, а также исключит длительность предпосадочного светового проращивания - яровизацию в течение 15-20 дней и расширит применимость способа выращивания картофеля в факторостатных лабораторных условиях.

По сравнению с обработкой клубней картофеля в вакуумной среде [22] при обработке их под давлением показатели энергии прорастания были выше на 4%, количество ростков выше на 9,3%, количество корней - на 24,5%.

Литература

1. Труды Челябинского института механизации и электрификации сельского хозяйства, 1972. Вып.65. С. 52-55.

2. Анисимов Б.В., Зебрин С.Н., Логинов С.И., Кузьмичев А.А. Новый стандарт - новый уровень качества семенного картофеля. В сб.: Развитие новых технологий селекции и создание отечественного конкурентоспособного семенного фонда картофеля: матер, межд. науч-практ. конф., серия «Картофелеводство», под редакцией С.В. Жеворы. 2016. С. 131-137.

3. Картофелеводство. Сб. науч. тр.: матер, межд. науч.-практ. конф. «Методы биотехнологии в селекции и семеноводстве картофеля» / ГНУ ВНИИКХ Россельхозакадемии, М., 2014. 286 с.

4. Артемьев Н.А. Проблемы энерговоздействия на рост растений. М., изд-во ВАСХНИЛ, 1936.

5. Евреинов М.Г. Применение электричества в сельском хозяйстве. ОГИЗ - Сельхоз, 198.

6. Кефели В.И. Рост растений и природные регуляторы. Физиология растений. Т. 25. Вып. 5. М., Наука, 1978.

7. Агрономическая тетрадь. Возделывание картофеля по интенсивной технологии / Под общ. ред. Б.Ф. Хлевного. - М.: Россельхозиздат.1986. 96 с.

8. Картофелеводство: история развития и результаты научных исследований по культуре картофеля. Сб. науч. тр. / ФГБНУ ВНИИКХ, под ред. С.В. Жеворы. М., 2015. 449 с.

9. Изаков В.Я., Рыбин И.А. Биологические явления у животных и растений. Основы электробиологии. Свердловск, УГУ, 1973.

10. Воронцов Д.С.Электричество в живом организме. «Знание», 1961.

11. Гунар И.И. Проблема раздражимости растений и ее значение для дальнейшего развития физиология растений. Доклад на научной конференции академии им. Тимирязева, 9 декабря 1952. М., 1953.

12. Кочан А.Б. Электрофизиология. М., Высшая школа, 1969.

13. Рубин Б. Курс физиологии растений. М., Высшая школа, 1976.

14. Патент RU №2234945. Опубликовано 27.08.2004. Бюл. №14.

15. Виноградова Д.Л., Малышев Р.А., Фолманис Г.Э. Экономические аспекты применения нанотехнологий в земледелии / Под. Общ. ред. Г.В. Павлова - М.: Исследовательский центр проблем качеств подготовки специалистов. 2005. С. 8-34.

16. Коваленко Л.В., Фолманис Г.Э. Биологически активные нанопорошки железа. М.: Наука, 2006. 124 с.

17. Ma, J.F. et al. (2004) Characterization of Si uptake system and molecular mapping of Si transporter gene in rice. Plant Physiol. 136, 3284-3289.

18. Wang S.Y., Galletta G.J. Foliar application of potassium silicate induces metabolic changes in strawberry plants. Journal of Plant Nutrition. Vol. 21, Iss. 1, 1998.

19. Патент RU №2635103. Опубликовано 09.11.2017. Бюл. №31 (прототип)

20. Патент RU №2623471. Опубликовано 26.06.2017. Бюл. №18

21. Патент RU №2627556. Опубликовано 08.06. 2017. Бюл. №22 (прототип)

22. Заявка на изобретение RU №: 2018127963 «Способ предпосадочной обработки клубней семенного картофеля» авторы Мушинский А.А., Сизова Е.А. и др., Зарегистрировано 01 августа 2018.

23. Heather A. Currie, Carole С.Perry. Silica in plants: Biological, biochemical and chemical studies// Ann. Bot. 2007. December. 100(7). P. 1383-1389.

24. Матыченков B.B., Бочарникова E.A., Кособрюхов A.A., Биль К.Я. О подвижных формах кремния в растениях // ДАН РАН. 2008. Т. 418. №2. С. 279-281.

25. Патент на изобретение RU №2234945, 2004.

Способ предпосадочной обработки клубней картофеля, включающий обработку клубней стабилизированным электрохимически активированным католитом с рН 7-9 и редокс-потенциалом Eh=-400÷-500 мВ, стабилизированным аминокислотой глицином в концентрации 0,01 мас.%, и содержащим наночастицы железа Fe размером 80 нм и оксида кремния SiO₂ размером 25 нм в весовом соотношении 1:3 с концентрацией в католите НЧ Fe 16⋅10^-4 моль и НЧ SiO₂ – 6⋅10^-3 моль под давлением 9,8-14,7 Па на установке с вращающимся барабаном с частотой вращения барабана 10 об/мин, время обработки 5 мин.