Модуляция роста и аккумуляции химических элементов в растениях Fragaria × ananassa в условиях in vivo под действием хелатов кремния

Значительный интерес среди биостимуляторов вызывают кремнийсодержащие препараты в связи с защитной ролью кремния в растениях от неблагоприятных факторов среды. В данной работе в качестве источника кремния использован механокомпозит из шелухи риса и зеленого чая, содержащий растворимые хелатные комплексы диоксида кремния. Целью исследования являлось изучение влияния хелатов кремния на ростовые, физиологические показатели и содержание химических элементов в растениях Fragaria × ananassa (сорт Солнечная полянка) в условиях теплицы. Растения поливали водой без механокомпозита (контроль) или водным раствором, содержащим 0,3 г/л механокомпозита дважды за период. Отбор образцов проводили через неделю после последней обработки. Для определения концентрации химических элементов (Si, P, S, Cl, K, Ca, Ti, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Br, Rb, Sr, Mo) в корнях и побегах земляники садовой предложено применение метода рентгенофлуоресцентного анализа на синхротронном излучении. Показано увеличение содержания хлорофилла a, суммы хлорофиллов а и b, каротиноидов, уменьшение содержания пероксида водорода и увеличение активности основных антиоксидантных ферментов (супероксиддисмутазы, каталазы, пероксидазы) под действием механокомпозита. Определено, что кремний накапливается под действием препарата преимущественно в побегах и оказывает влияние на аккумуляцию микро- и макроэлементов в побегах и корнях растений. Полученные результаты обосновывают использование кремнийсодержащей «зеленой химии» в качестве средств управления ростом и развитием растений земляники садовой в условиях in vivo.

1. Durán-Lara E.F., Valderrama A., Marican A. Natural organic compounds for application in organic farming // Agriculture. 2020. Vol. 10, no. 2. P. 41. DOI: 10.3390/agriculture10020041.

2. Garza-Alonso C.A., Olivares-Sáenz E., González-Morales S., Cabrera-De la Fuente M., Juárez-Maldonado A., González-Fuentes J.A., et al. Strawberry biostimulation: from mechanisms of action to plant growth and fruit quality // Plants. 2022. Vol. 11, no. 24. P. 3463. DOI: 10.3390/plants11243463.

3. Savvas D., Ntatsi G. Biostimulant activity of silicon in horticulture // Scientia Horticulturae. 2015. Vol. 196. P. 66–81. DOI: 10.1016/j.scienta.2015.09.010.

4. Schaller J., Cramer A., Carminati A., Mohsen Z. Biogenic amorphous silica as main driver for plant available water in soils // Scientific Reports. 2020. Vol. 10. P. 2424. DOI: 10.1038/s41598-020-59437-x.

5. Битюцкий Н.П. Микроэлементы высших растений. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2011. 367 с.

6. Lomovsky O.I., Lomovskiy I.O., Orlov D.V. Mechanochemical solid acid/base reactions for obtaining biologically active preparations and extracting plant materials // Green Chemistry Letters and Reviews. 2017. Vol. 10, no. 4. P. 171–185. DOI: 10.1080/17518253.2017.1339832.

7. Trofimova E.G., Podgorbunskikh E.M., Skripkina T.S., Bychkov A.L., Lomovsky O.I. Scaling of the mechano-chemical process of production of silicon chelates from plant raw materials // Bulgarian Chemical Communications. 2018. Vol. 50. P. 45–48. EDN: QWCBXS.

8. Ma J.F. Role of silicon in enhancing the resistance of plants to biotic and abiotic stresses // Soil Science and Plant Nutrition. 2004. Vol. 50, no. 1. P. 11–18. DOI: 10.1080/00380768.2004.10408447.

9. Zargar S.M., Mahajan R., Bhat J.A., Nazir M., Deshmukh R. Role of silicon in plant stresss tolerance: opportunities to achieve a sustainable cropping system // 3 Biotech. 2019. Vol. 9. P. 73. DOI: 10.1007/s13205-019-1613-z.

10. Verma K.K., Song X.-P., Tian D.-D., Guo D.-J., Chen Z.-L., Zhong C.-Z., et al. Influence of silicon on biocontrol strategies to manage biotic stress for crop protection, performance, and improvement // Plants. 2021. Vol. 10, no. 10. P. 2163. DOI: 10.3390/plants10102163.

11. Nusrat A., Réthoré E., Yvin J.-C., Hosseini S.A. The regulatory role of silicon in mitigating plant nutritional stresses // Plants. 2020. Vol. 9, no. 12. P. 1779. DOI: 10.3390/plants9121779.

12. Matichenkov V.V., Bocharnikova E.A. The relationship between silicon and soil physical and chemical properties // Silicon in agriculture / eds L.E. Datnoff, G.H. Snyder, G.H. Korndörfer. Amsterdam: Elsevier Science B.V., 2001. P. 209–219.

13. Savvas D., Ntatsi G. Biostimulant activity of silicon in horticulture // Scientia Horticulturae. 2015. Vol. 196. P. 66–81. DOI: 10.1016/j.scienta.2015.09.010.

14. Vatansever R., Ozyigit I.I., Filiz E. Essential and beneficial trace elements in plants, and their transport in roots: a review // Applied Biochemistry and Biotechnology. 2017. Vol. 181. P. 464–482. DOI: 10.1007/s12010-016-2224-3.

15. Artyszak A. Effect of silicon fertilization on crop yield quantity and quality – a literature review in Europe // Plants. 2018. Vol. 7, no. 3. P. 54. DOI: 10.3390/plants7030054.

16. Joudmand A., Hajiboland R. Silicon mitigates cold stress in barley plants via modifying the activity of apoplasmic enzymes and concentration of metabolites // Acta Physiologiae Plantarum. 2019. Vol. 41. P. 29. DOI: 10.1007/s11738-019-2817-x.

17. Coskun D., Deshmukh R., Sonah H., Menzies J.G., Reynolds O, Ma J.F., et al. The controversies of silicon’s role in plant biology // New Phytologist. 2019. Vol. 221, no. 1. P. 67–85. DOI: 10.1111/nph.15343.

18. Wang L., Dong M., Zhang Q., Wu Y., Hu L., Parson J.F., et al. Silicon modulates multi-layered defense against powdery mildew in Arabidopsis // Phytopathology Research. 2020. Vol. 2. P. 7. DOI: 10.1186/s42483-020-00048-9.

19. Artyszak A., Kondracka M., Gozdowski D., Siuda A., Litwińczuk-Bis M. Impact of foliar application of various forms of silicon on the chemical composition of sugar beet plants // Sugar Tech. 2021. Vol. 23. P. 546–559. DOI: 10.1007/s12355-020-00918-8.

20. Колесников М.П. Формы кремния в растениях // Успехи биологической химии. 2001. Т. 41. С. 301–332.

21. Luyckx M., Hausman J.-F., Lutts S., Guerriero G. Silicon and plants: current knowledge and technological perspectives // Frontiers in Plant Science. 2017. Vol. 8. P. 411. DOI: 10.3389/fpls.2017.00411.

22. Liang Y., Nikolic M., Bélanger R., Gong H., Song A. Silicon in agriculture. From theory to practice. Dordrecht: Springer, 2015. 235 p.

23. Марченко З. Фотометрическое определение элементов / пер. с польского. М.: Мир, 1971. 502 с.

24. Levent A., Alp S., Ekin S., Karagoz S. Trace heavy metal contents and mineral of Rosa canina L. Fruits from Van region of Eastern Anatolia, Turkey // Reviews in Analytical Chemistry. 2010. Vol. 29, no. 1. P. 13–24. DOI: 10.1515/REVAC.2010.29.1.13.

25. Филатова Д.Г., Еськина В.В., Барановская В.Б., Карпов Ю.А. Современные возможности электротермической атомно-абсорбционной спектрометрии высокого разрешения с непрерывным источником спектра // Журнал аналитической химии. 2020. T. 75. N 5. С. 387–393. DOI: 10.31857/S0044450220050047. EDN: ZRVTRX.

26. Kazaz S., Baydar H., Erbas S. Variations in chemical compositions of Rosa damascena Mill. and Rosa canina L. fruits // Czech Journal of Food Sciences. 2009. Vol. 27, no. 3. P. 178–184. DOI: 10.17221/5/2009-CJFS.

27. Серегина И.Ф., Осипов К., Большов М.А., Филатова Д.Г., Ланская С.Ю. Матричные помехи при определении элементов в биологических образцах методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой и пути их устранения // Журнал аналитической химии. 2019. Т. 74. N 2. С. 136–146. DOI: 10.1134/S0044450219020117. EDN: YVTUVF.

28. Трунова В.А., Зверева В.В. Метод рентгенофлуоресцентного анализа с использованием синхротронного излучения: объекты исследования // Журнал структурной химии. 2016. Т. 57. N 7. C. 1401–1407. DOI: 10.15372/JSC20160705. EDN: WZVIML.

29. Храмова Е.П., Сыева С.Я., Ракшун Я.В., Сороколетов Д.С. Рентгенофлуоресцентный анализ с использованием синхротронного излучения в ботанических исследованиях: элементный состав растений из Горного Алтая (сем. Fabaceae) // Известия Российской академии наук. Серия физическая. 2023. Т. 87. N 5. С. 733–737. DOI: 10.31857/S0367676522701265. EDN: ABLTMT.

30. Legkodymov A.A., Kuper K.E., Kolmogorov Y.P., Baranov G.N. The SRXFA station on the VEPP-4M storage ring // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2019. Vol. 83, no. 2. P. 112–115. DOI: 10.3103/S1062873819020199.

31. Ambros E.V., Toluzakova S.Y., Shrainer L.S., Trofimova E.G., Novikova T.I. An innovative approach to ex vitro rooting and acclimatization of Fragaria × ananassa Duch. microshoots using а biogenic silica and green-teacatechin-based mechanocomposite // In Vitro Cellular and Developmental Biology – Plant. 2018. Vol. 54, no. 4. P. 436–443. DOI: 10.1007/s11627-018-9894-1.

32. Lichtenthaler H.K., Buschmann C. Chlorophylls and carotenoids: measurement and characterization by UV-Vis spectroscopy // Current Protocols in Food Analytical Chemistry. 2001. P. F4.3.1–F4.3.8. DOI: 10.1002/0471142913.faf0403s01.

33. Bellincampi D., Dipperro N., Salvi G., Cervone F., De Lorenzo G. Extracellular H2O2 induced by oligogalacturonides is not involved in the inhibition of the auxin-regulated rolB gene expression in tobacco leaf explants // Plant Physiology. 2000. Vol. 122, no. 4. P. 1379–1385. DOI: 10.1104/pp.122.4.1379.

34. Aeby H. Catalase in vitro // Methods in Enzymology. 1984. Vol. 105. P. 121–126. DOI: 10.1016/s0076-6879(84)05016-3.

35. Giannopolitis C.N., Ries S.K. Superoxide dismutase: I. Occurrence in higher plants // Plant Physiology. 1977. Vol. 59, no. 2. P. 309–314. DOI: 10.1104/pp.59.2.309.

36. Полесская О.Г., Каширина Е.И., Алехина Н.Д. Изменение активности антиоксидантных ферментов в листьях и корнях пшеницы в зависимости от формы и дозы азота в среде // Физиология растений. 2004. Т. 51. N 5. С. 686–691. EDN: OXNXLZ.

37. Жанаева Т.А., Лобанова И.Е., Кукушкина Т.А. Флавонолы и окисляющие их ферменты в онтогенезе гречихи посевной // Известия Российской академии наук. Серия биологическая. 1999. N 1. С. 105–108.

38. Сидорина А.В., Трунова В.А., Алексеева А.Н. Определение микроэлементного состава шиповника собачьего (Rosa canina) из разных мест произрастания методом РФА-СИ // Химия в интересах устойчивого развития. 2014. Т. 22. N 2. С. 181–186. EDN: SMJYYR.

39. Гольденберг Б.Г., Ракшун Я.В., Бугаев С.В., Мешков О.И., Цыбуля С.В. Проект технологической станции синхротронного излучения на ВЭПП-4М // Известия Российской академии наук. Серия физическая. 2019. Т. 83. N 2. С. 176–180. DOI: 10.1134/S0367676519020157. EDN: YVTWTR.

40. Goldenberg B.G., Gusev I.S., Zubavichus Y.V. Synchrotron radiation station on the VEPP-4M for practical training // Synchrotron and free electron laser radiation: generation and application (SFR-2022): book of abstracts. Novosibirsk: Institute of Nuclear Physics G.I Budker SB RAS, 2022. P. 123–124. EDN: JNUCCT.

41. Самсонова Н.Е. Кремний в растительных и животных организмах // Агрохимия. 2019. N 1. С. 86–96. DOI: 10.1134/S0002188119010071. EDN: YVTRSP.

42. Hossain M.T., Soga K., Wakabayashi K., Kamisaka S., Fujii S., Yamamoto R., et al. Modification of chemical properties of cell walls by silicon and its role in regulation of the cell wall extensibility in oat leaves // Journal of Plant Physiology. 2007. Vol. 164, no. 4. P. 385–393. DOI: 10.1016/j.jplph.2006.02.003.

43. Алексеева-Попова Н.В., Дроздова И.В. Микроэлементный состав растений полярного Урала в контрастных геохимических условиях // Экология. 2013. N 2. С. 90–98. DOI: 10.7868/S0367059713020030. EDN: PVXCMB.

44. Ma J.F., Takahashi E. Interaction between calcium and silicon in water-cultured rice plants // Plant and Soil. 1993. Vol. 148. P. 107–113. DOI: 10.1007/bf02185390.

45. Fleck A.T., Schulze S., Hinrichs M., Specht A., Waßmann F., Schreiber L., et al. Silicon promotes exodermal Casparian band formation in Si-accumulating and Si-excluding species by forming phenol complexes // PLOS One. 2015. Vol. 10, no. 9. P. e0138555. DOI: 10.1371/journal.pone.0138555.

46. Dishon M., Zohar O., Sivan U. Effect of cation size and charge on the interaction between silica surfaces in 1:1, 2:1, and 3:1 aqueous electrolytes // Langmuir. 2011. Vol. 27, no. 21. P. 12977–12984. DOI: 10.1021/la202533s.

47. Miyake Y., Takahashi E. Effect of silicon on the growth and fruit production of strawberry plants in a solution culture // Soil Science and Plant Nutrition. 1986. Vol. 32, no. 2. P. 321–326. DOI: 10.1080/00380768.1986.10557510.

48. Ouellette S., Goyette M.-H., Labbé C., Laur J. Gaudreau L., Gosselin A., et al. Silicon transporters and effects of silicon amendments in strawberry under high tunnel and field conditions // Frontiers in Plant Science. 2017. Vol. 8. P. 949. DOI: 10.3389/fpls.2017.00949.

49. Kanto T., Miyoshi A., Ogawa T., Maekawa K., Aino M. Suppressive effect of liquid potassium silicate on powdery mildew of strawberry in soil // Journal of General Plant Pathology. 2006. Vol. 72. P. 137–142. DOI: 10.1007/s10327-005-0270-8.

50. Hodson M.J., White P.J., Mead A., Broadley M.R. Phylogenetic variation in the silicon composition of plants // Annals of Botany. 2005. Vol. 96, no. 6. P. 1027–1046. DOI: 10.1093/aob/mci255.