УПРАВЛЕНИЕ СТРЕССАМИ РАСТЕНИЙ

Растения подвержены многочисленным стрессам, которые порой серьезно сказываются на их продуктивности. К таким неблагоприятным воздействиям можно отнести как низкие, так и высокие температуры, как недостаток влаги, так и засуху, а также влияние фитопатогенов, ультрафиолетовой радиации и пр. Даже применение химических препаратов не обходится без стресса для организмов культурных растений. Наука интенсивно работает над вопросом уменьшения воздействия на растения различных негативных факторов, над тем, чтобы помочь им подготовиться к экстремальным ситуациям еще до момента столкновения с ними. И у нанотехнологов уже есть определенные результаты.

Три фазы реакции растения на стрессы

Термин стресс (от англ. stress – напряжение) введен в научный лексикон в 1936 г. для описания реакции организма на любое сильное неблагоприятное воздействие. Основоположником стрессовой теории стал канадский ученый-физиолог ГансСелье.
Согласно его учению ответные реакции на стрессовое воздействие у животных и человека имеют вид кривой, включающей три фазы («триада Селье») – тревоги, адаптации (резистентности) и истощения. В этот период формируется неспецифическая резистентность (адаптация), но при увеличении стрессового воздействия и истощении защитных сил организма наступает его гибель. Основы стрессовой теории были перенесены на физиологию растений, в результате чего в науке появилось новое направление – стресс-физиология растений. Для них фазы триады Селье были названы первичной индуктивной стрессовой реакцией, адаптацией и истощением ресурсов надежности.

Способность защищаться от неблагоприятных условий внешней среды – неотъемлемое свойство любого живого организма. Ввиду относительной неподвижности и невозможности избежать неблагоприятных факторов, просто переместившись в другой ареал, растение вынуждено включать активные механизмы саморегуляции, в результате чего происходят глубокие изменения в обмене веществ без нарушения согласованности между отдельными функциями, что позволяет сохранять единство организма и среды (гомеостаз).

К числу наиболее распространенных факторов, способных вызвать у растений стресс, относятся: экстремальные температуры (как низкие, так и высокие), недостаток влаги (засуха), избыток воды в почве, чрезмерная засоленность почвы, низкая или чрезмерная освещенность, влияние фитопатогенов (микроорганизмов и грибов), ультрафиолетовая радиация, воздействие ионов тяжелых металлов.
Во время первой фазы – первичной индуктивной стрессовой реакции – у растения увеличивается проницаемость мембран в результате изменения молекулярного состава их компонентов, что приводит к закислению цитоплазмы и, как следствие, к активации гидролаз и процессов распада полимеров. Синтез белка тормозится, в то время как синтез стрессовых белков активизируется. Дыхание и фотосинтез сначала усиливаются, а затем подавляются.

Накапливаются продукты распада. Во время второй фазы – адаптации – в растении усиливаются процессы синтеза. Происходит стабилизация проницаемости мембран. Растение формирует минимальное количество генеративных органов. В третьей фазе – истощения – защитные возможности растения исчерпываются, клеточные структуры (хлоропласты и митохондрии) разрушаются и вызывают энергетическое истощение клетки, что приводит к физикохимическим изменениям цитоплазмы. Как правило, это необратимый процесс, ведущий к гибели растения.

Как помочь растению подготовиться к стрессу

Последние исследования физиологии растений подтвердили тот факт, что защитные механизмы растений являются своего рода химическим оружием против стресса. При этом «внутренний защитник» растения действует по следующей схеме:

1) распознает стресс;

2) ищет в «информационной базе» ДНК растения самые лучшие средства для выживания;

3) активизирует синтез специфических и неспецифических элементов стрессовой защиты, таких как энзимовантиоксидантов, стрессовых белков, глютатиона, фенолов и других антиоксидантов;

4) перемещает синтезированные стрессовые белки и вещества в проблемные зоны для борьбы со стрессом.

Над созданием препарата, способного помочь растению справляться с различными стрессовыми ситуациями, работает множество ведущих фирм мира. Agro Nanotechnologi, Corp предложил аграриям революционный продукт – Nano-Gro, который способен подготовить растение к отражению стрессового воздействия еще до момента его наступления. В результате его применения растение получает конститутивные механизмы устойчивости по аналогии, например с растениями-галофитами, солеустойчивость которых предопределена генетически. Иными словами, механизмы устойчивости срабатывают в любых условиях независимо от наличия или отсутствия стрессового фактора. В то время как необработанные растения для включения защиты должны сначала почувствовать и распознать стресс (индуцированные механизмы защиты, которые хотя и детерминированы генетически, но реализуются только при действии стрессора). Как это происходит?

Нанопрепарат содержит активные вещества в столь малых концентрациях, что в килограмме готового продукта можно найти только их отдельные молекулы. При последовательном разведении до концентрации 10-9 вещество как таковое исчезает, остаются лишь следы его присутствия. Но после исчезновения молекулы базового вещества остается информационное поле, содержащее все его компоненты. Такое поле действует гораздо быстрее и эффективнее, чем само вещество. Вода ввиду наличия большого количества водородных связей и образования кластерной структуры является идеальным транспортером информации. Поэтому для равномерного распределения информационных следов между кластерами воды препарат следует развести водой и тщательно перемешать. Растение, обработанное раствором гранул, мгновенно распознает информацию, которую несут следы активных веществ, и трактует ее как предупреждение о предстоящем стрессе (наличие токсичных соединений в почве, аномальные температуры, недостаток влаги, а также различные вирусные, инфекционные и грибковые заболевания и поражения вредителями). Движимое соображениями выживания, растение сразу начинает готовиться к предстоящему (воображаемому) стрессу на клеточном уровне, в результате чего происходят:

– стимуляция биосинтеза фитогормонов (цитокининов, гиббереллинов, абсцизовой кислоты, брассиностероидов);

– регуляция экспрессии генов, индуцирование синтеза стрессовых белков, фитоалексинов и других компонентов системы фитоиммунитета, в том числе витаминов, например аскорбиновой кислоты, являющейся антиоксидантом, препятствующим деструкции натурального ауксина. Опыт на томатах в Польше показал значительное повышение содержания витамина С в обработанной группе по сравнению с контролем: 21,5% против 18,9%

– по сорту Рамбозо; 25,8% против 20% – по сорту Гермес;

– адаптация к новым условиям метаболизма.

В итоге мы имеем:

• более развитую корневую систему (в стремлении защитить себя от воображаемых токсичных металлов растение развивает мощную корневую систему, резервируя в корнях пространство, чтобы «закрыть» токсины и не дать им подняться по васкулярным тканям в другие органы – стебель, листья, плоды);
• лучшую обеспеченность минеральными веществами за счет деятельности привлеченных анаэробных бактерий, позволяющих по трофическим цепям поднимать азот из более глубоких слоев почвы;
• укрепление общего здоровья растения и улучшение сопротивляемости неблагоприятным условиям окружающей среды за счет стимуляции синтеза шоковых белков (БТШ70, БТШ90) и более выраженного иммунного ответа на изменение условий;
• повышенную урожайность и улучшенные качественные показатели урожая (содержание сухой массы, важнейших белков и микроэлементов, витаминов).

Нанопрепарат подтвердил свою эффективность в стимулировании защитных механизмов против ЛЮБОГО вида стресса. Растение активизирует как биохимические, так и физиологические реакции. В частности, опыт на томатах в Краковском сельскохозяйственном университете (Польша) подтвердил формирование растением более длинных волосков на поверхности листа, что предохраняет культуру от атак вредителей.

Синтезированные под влиянием антистрессового регулятора роста стрессовые белки проявляют антифризную и криопротекторную активность, предотвращая замерзание жидкости и образование льда в клетках под воздействием низких температур, а также препятствуют локальной дегидратации и денатурации белков, участвуют в процессах регулирования устойчивости клеток. В естественных условиях реализация антистрессовых перестроек метаболизма требует от растения значительных энергетических затрат. Теряя энергию, предназначенную для обеспечения процессов продуктивности, растение дает меньший урожай. Применение же антистрессового препарата позволяет регулировать процессы метаболизма на высоком уровне и активизировать устойчивость к широкому спектру стрессовых факторов с сохранением высокой урожайности культур.

Антистрессовый регулятор роста растений – гомеопатический препарат, абсолютно нетоксичный и безопасный, представляющий собой органический стимулятор роста растений. Его активные ингредиенты (сульфаты железа, кобальта, алюминия, магния, марганца, никеля и серебра) в наномолекулярной (10-9) концентрации скомбинированы в форме водорастворимых гранул сахарозы диаметром 4 мм. Препарат может применяться на всех культурах – зерновых, овощных, бобовых, многолетних насаждениях, виноградниках, плодовоягодных и декоративных. Обработка растений может проводиться как перед посадкой, так и во время вегетации. При этом препарат растворяется в обычной водопроводной воде и применяется в рамках традиционной агротехнологии (в том числе в смеси с другими протравителями, жидкими удобрениями, пестицидами), не требуя дополнительных затрат трудовых и энергетических ресурсов.

Эффект от применения нанопрепарата выражается в:

• увеличении урожая (в среднем до 20%);
• сокращении сроков созревания плодов;
• однородности плодов по размеру и форме;
• увеличении содержания сахаров, важнейших белков и масла (для масличных культур);
• повышении устойчивости к болезням и погодным условиям;
• улучшении вкусовых качеств плодов.

Комментарий ученого

Виктор Швартау, член-корреспондент НАН Украины:

– Разработка нанотехнологий и их применение в сельском хозяйстве очень актуальны. Предполагается, что они позволят повысить эффективность и рентабельность выращивания культур и, вероятно, качество самой продукции. Нынче активно развивается направление создания и испытаний влияния наносоединений на физиологические процессы растений, прежде всего культурных, в целях регулирования их роста и развития, устойчивости к стрессам и т.д. (http://www.nano.nas.gov.ua и http://www.nano-info.ru).

Так, применение нанопрепаратов в растениеводстве в качестве микроудобрений обеспечивает повышение стойкости к неблагоприятным погодным условиям и повышению урожайности почти всех продовольственных (картофель, зерновые, овощи, плодово-ягодные) и технических (хлопок, лен) культур. Предложено механизм, по которому эти эффекты достигаются благодаря более активному проникновению микроэлементов в ткани растений за счет наноразмеров частичек и их электрохимически нейтрального статуса. Ожидается также положительное влияние наномагния на повышение продуктивности фотосинтеза, нанокремния – на повышение стойкости растений к стрессам. Такие опыты разрабатывают многие ведущие компании мира. Применение нанотехнологий в сельском хозяйстве и пищевой промышленности ведет к появлению абсолютно нового класса пищевых продуктов – нанопродуктов. Согласно официальному заявлению экспертов международной исследовательской организации ЕТС Group со временем нанопродукты вытеснят генномодифицированные.

Перспективы и возможности, которые открываются для человечества с развитием нанотехнологий, трудно переоценить. При этом многое остается невыясненным – от механизмов воздействия нанопрепаратов на организм растений до вероятных путей взаимодействия синтезированных наносоединений с другими компонентами экосистемы. Представленные авторами статьи эффекты нанопрепарата достаточно интересны и требуют детального изучения в условиях полевых опытов и производственных испытаний. Требуют также дополнительного обоснования представленные механизмы действия препарата. Желаю авторам разработки успехов в испытаниях и внедрении перспективных технологий в растениеводстве.

Комментарий практика

Александр Бовсуновский, руководитель департамента агротехнологий «Амако Украина»:

– Наша компания – один из признанных лидеров в области аграрных инновационных технологий. Мы постоянно отслеживаем все новинки, появляющиеся на аграрном рынке, тестируем их и внедряем в производство. Появление в Украине такого продукта, как Nano-Gro, не могло остаться без нашего внимания. Особый интерес вызвал тот факт, что этот продукт снимает в растениях стрессы различной природы – термические, от засухи, излишних осадков и пр. Причем механизм действия продукта строится на самых современных научных парадигмах, таких как структурализм, теория нелинейных существенно неуравновешенных сред, синергизма и пр. Кроме того, препарат насыщен активными веществами-антистрессантами в очень малых количествах, но через созданную ими структурную матрицу информация передается на органеллы растений намного быстрее и активнее, чем через прямой контакт с веществом.

Мы испытывали препарат на посевах гибридной кукурузы компании «Лендком» в 2010 году. Место проведения опытов – с. Кичкирит Радомышльского района Житомирской области. Гибрид кукурузы – PR 39612, посев – 08.05.2010 г. Густота посевов – 96 000 растений на га, глубина посева – 6 см. Система удобрения: под основную обработку – 128 кг/га тукосмеси N7P19K29+5S на базе хлористого калия, нитроаммофоски и супрефоса), припосевное удобрение – 230 кг/га известково-аммиачной селитры.

Система защиты: гербицид Пропонит – 2,5 л/га после посева, гербицид Майстер – 0,15 кг/га + прилипатель Биопауер – 1,0 л/га в фазе 6 листьев.

Опыт проводился на четырех участках по 10 га. Опрыскивание Nano-Gro проводилось в фазе 8-9 листьев. Результаты влияния на урожайность были следующими (урожайность элеваторная, 14,8% влажности):

1) Карбамид (6кг/га) + Грамитрел (1,0 л/га) – 8,47 т/га;

2) Nano-Gro – (7 гранул на емкость опрыскивателя) – 8,88 т/ га;

3) Карбамид (6кг/га) + Nano-Gro (7 гранул) – 8,93 т/га;

4) Карбамид (6кг/га) + Грамитрел (1,0 л/га) + Nano-Gro (7 гранул) – 9,04 т/га.

А что такое прибавка урожая 0,6 т? Если учесть нынешнюю цену (1700 грн/т), то это 1020 грн на гектаре, на 100 га – 102 000 грн, а на 1000 га – уже миллион. Добавьте к этому усиление иммунитета растений, улучшение качественных характеристик и простоту в использовании.