Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературы 13
1.1. Клеточные метаболиты 13
1.2. Бактерициды 17
1.3. Повышение устойчивости растений к экстремальным температурам 20
1.4. Методы защиты растений подсолнечника от заразихи 26
1.5. Применение йода для защиты растений от болезней 45
1.6. Применение глифосатов в агротехнологиях 47
2 Объекты, условия и методы исследований 52
2.1. Материалы и методы исследований 52
2.2. Объекты исследований 60
2.3. Почвенно-климатические условия в регионах проведения полевых и производственных испытаний 73
3 Результаты исследований 99
3.1. Использование экзогенной янтарной кислоты в агротехнологиях 100
3.2. Применение экзогенных аминокислот в растениеводстве 103
3.3. Использование аминокислотного комплекса на основе метионина в целях защиты различных сельскохозяйственных культур от бактериозов 132
3.4. Экзогенные аминокислоты для защиты подсолнечника от бактериоза, заразихи и сорных растений 144
3.5. Фитофизиология экзогенных аминокислот в повышении устойчивости к стрессам и регуляции процессов роста и развития растений 163
3.6. Ретардантный эффект аминокислотного комплекса на основе метионина и фенольных соединений 165
3.7. Использование экзогенных аминокислот для повышения засухоустойчивости растений 171
3.8. Использование экзогенных аминокислот для повышения морозостойкости озимых культур 173
3.9. Физиолого-биохимические основы применения экзогенных аминокислот для снижения нормы расхода гербицидов группы глифосатов 178
3.10. Иммунологические и физиологические основы применения комплекса аминокислоты + биопрепараты в агротехнологиях 200
3.11. Физиологические и иммунологические основы использования йода в агротехнологиях 215
4 Экономический анализ 231
Заключение 237
Рекомендации производству 240
- Повышение устойчивости растений к экстремальным температурам
- Почвенно-климатические условия в регионах проведения полевых и производственных испытаний
- Использование аминокислотного комплекса на основе метионина в целях защиты различных сельскохозяйственных культур от бактериозов
- Иммунологические и физиологические основы применения комплекса аминокислоты + биопрепараты в агротехнологиях
Введение к работе
Актуальность темы исследований, степень её разработанности.
Снижение затрат на возделывание различных сельскохозяйственных культур является краеугольным камнем современных агротехнологий. Основными лимитирующими факторами растениеводства являются биотические (поражение растений болезнями и вредителями, а также засорённость биоценозов сорной растительностью) и абиотические (низкие отрицательные и высокие положительные температуры, засуха и ряд других).
Решение проблем биотических факторов главным образом основано на использовании химических средств защиты растений, в то же время объём применения биологических средств защиты в 2012 г. составил лишь 1,8 % от общего количества вовлечённых для этой цели препаратов на территории России. Среди пестицидов широко применяются фунгициды и бактерициды. Однако это привело к появлению более агрессивных, резистентных к этим препаратам штаммов или рас возбудителей болезней. В этой связи актуален поиск новых экологически безопасных средств и разработка способов их применения. Существенно сдерживает урожайность подсолнечника на юге России заразиха кумская (Orobanche cumana Wallr.). В связи с этим перспективно использование впервые разработанного комплекса экзогенных АК.
Гербициды сплошного действия группы глифосатов незаменимы в технологии No-Till для уничтожения многолетних сорняков (особенно корнеотпрысковых). Однако в этой связи существует ряд противоречий, в том числе их негативное воздействие на некоторые почвенные микроорганизмы (Druillie, 2016), накопление в подпочвенных водах и бассейнах рек (Battaglin, 2014), что отрицательно сказывается на окружающей среде. В связи с этим снижение нормы расхода этих гербицидов наряду с уменьшением затрат имеет важное значение. Поэтому применение впервые разработанного
комплекса экзогенных аминокислот (АК) совместно с гербицидами группы глифосатов, позволяет значительно снизить экологическую нагрузку в фито-ценозах (Д.В. Котляров, В.В. Котляров, Ю.П. Федулов, 2016).
Влияние фитопатогенных бактерий из рода Pseudomonas syringae на метиониновый обмен в растениях было доказано в работах David C. Sands (1977). Поэтому впервые предложенная в работе концепция использования экзогенного метионина против возбудителей бактериальных болезней оказалась действенной для повышения устойчивости растений. А в сочетании с микробиологическими средствами этот способ показал ещё большую биологическую и экономическую эффективность.
Отличительной особенностью наших исследований является то, что они направлены на использование экзогенных АК в качестве регуляторных веществ, вызывающих определённое воздействие на растительные организмы. Однако применение различных комплексов экзогенных АК для снижения или ускорения темпов роста растений, увеличения засухоустойчивости и морозостойкости, иммунизации, ранее не изучено.
Цель и задачи исследований – установить физиолого-биохимические закономерности действия экзогенных аминокислот на устойчивость растений к неблагоприятным факторам среды в агротехнологиях. В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи исследований:
исследовать физиолого-биохимические основы применения экзогенного метионина при выращивании зерновых колосовых культур;
изучить использование аминокислотного комплекса на основе метио-нина в целях защиты различных сельскохозяйственных культур от бактериозов;
выявить возможность использования экзогенных аминокислот для защиты подсолнечника от бактериоза, заразихи и сорных растений;
провести поиск комплексов экзогенных аминокислот для повышения устойчивости к стрессам и регуляции процессов роста и развития растений;
разработать способы использования экзогенных аминокислот для снижения норм расхода гербицидов из группы глифосатов;
разработать способы применения в агротехнологиях комплекса аминокислот и биопрепаратов;
разработать баковые смеси для защиты растений от неблагоприятных факторов среды, на основе йода и определить способы их использования для обработки растений в агротехнологиях.
Теоретическая значимость работы состоит в получении новых знаний в области физиологии и биохимии устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды.
Впервые использована экзогенная аминокислота метионин для иммунизации растений к фитопатогенным бактериям и установлен биохимический механизм его действия.
Предложен механизм действия экзогенных аминокислот, главным образом, метионина и лизина, на усиление эффективности гербицидов из группы глифосатов, приводящий к снижению их нормы расхода.
Определён механизм ретардантного действия экзогенных аминокислот (метионина и лизина) на растения пшеницы.
Изучено действие баковой смеси на основе йода с экзогенным метио-нином на повышение засухоустойчивости зерновых колосовых культур.
Научная новизна:
- выявлено взаимодействие аминокислот с другими факторами управления агроценозов;
- разработан способ иммунизации растений к бактериозам (вызываемым бактериями из родов Pseudomonas и Xanthomonas) путём введения экзо-
генного метионина и предложен механизм его действия (патент РФ №2421965);
- разработано средство для иммунизации подсолнечника к бактерио
зам, вызываемым X. arboricola и способ его применения (патент РФ
№2535939);
- разработано средство и способ снижения нормы расхода гербицидов из группы глифосатов путём использования экзогенных АК на основе мети-онина и лизина, установлении механизма его действия и способы применения (патент РФ №2584434);
выявлен комплекс микроорганизмов и возможность совместного их применения с аминокислотами для обеспечения эффективной защиты растений от ряда болезней и вредителей и стимуляцию ростовых процессов (патент РФ №2539025);
предложены новые способы определения степени инфицированности семян бобовых культур бактериями рода Pseudomonas syringae, а также зерновых колосовых культур бактериями рода Pseudomonas syringae и Xan-thomonas campestris, позволяющие (кроме этого) быстро осуществлять скрининг средств защиты растений от этих патогенов (патент РФ №2492611);
разработаны баковые смеси на основе йода (в том числе с использованием экзогенных аминокислот) и определены способы их использования для повышения устойчивости растений к болезням и низкой влагообеспечен-ности.
Практическая значимость работы состоит в разработке способов использования экзогенного метионина для выращивания сельскохозяйственных культур и определении механизма действия этой аминокислоты против фи-топатогенных бактерий; в выявлении комплекса экзогенных АК на основе метионина и лизина для защиты подсолнечника от бактериоза, заразихи и
сорных растений и способа его применения, а также использования комплекса этих экзогенных аминокислот в качестве ретарданта (с представлением механизма их действия на растения); в установлении возможности применения комплекса экзогенных АК (метионин, глицин и пролин) для повышения морозостойкости и засухоустойчивости зерновых колосовых культур; в применении изобретённого средства для снижения норм расхода гербицидов из группы глифосатов путём использования экзогенных АК на основе метиони-на и лизина; в создании эффективного агроприёма (на базе обработки зерновых колосовых культур комплексом АК + биопрепараты), обеспечивающего стимуляцию ростовых процессов и полную защиту растений от корневой гнили; в применении разработанной баковой смеси на основе йода с экзогенным метионином для повышения засухоустойчивости зерновых колосовых культур и защиты от болезней, определении способов их использования для обработки растений в агротехнологиях. Практическая значимость работы подтверждена многочисленными производственными испытаниями в различных регионах России.
Методология и методы исследований. Теоретическую и методологическую основу исследований составили труды отечественных и зарубежных учёных по проблемам регуляции роста и развития растений, влияния экзогенных клеточных метаболитов на физиолого-биохимические процессы в растениях. Исходной информационно-эмпирической основой исследований явились научные работы ведущих учёных в области физиологии и биохимии растений, материалы научно-практических конференций, а также полученные экспериментальные данные.
В работе были применены такие теоретические методы, как постановка проблемы, построение гипотезы, а также научные теории, проверенные практикой. В планировании исследований использованы различные информаци-
онные источники, в том числе научные статьи, монографии, материалы научно-практических конференций и другие материалы.
Основу теоретико-методологических исследований составили: лабораторные, вегетационные и полевые методы исследований с использованием общепринятых методов изучения морфологии, физиологии и биохимии и статистической обработки полученных данных, а также расчёт биологической и экономической эффективности.
Методика исследований базировалась на теории планирования многофакторных экспериментов и дисперсионном анализе. Получение экспериментальных данных осуществлялось путём регистрации современными измерительными средствами, прошедшими государственную поверку.
Использованные методы основаны на системном подходе и общепринятых апробированных методиках, применяемых в научных исследованиях с различными сельскохозяйственными культурами, а также современных методиках исследований, защищённых патентами РФ. Результаты экспериментов обработаны на персональном компьютере с использованием программ «STATISTICA» и «MS EXCEL».
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Физиолого-биохимические основы применения экзогенного метио-нина для индукции иммунитета растений к фитопатогенным бактериям рода Pseudomonas и Xanthomonas;
-
Использование аминокислотного комплекса на основе метионина и ароматических АК в целях индукции иммунитета подсолнечника к возбудителю бактериоза (Xanthomonas campestris), заразихи (Orobanche cumana);
-
Комплексы экзогенных АК для повышения устойчивости к стрессам и регуляции процессов роста и развития растений;
-
Способ использования экзогенных АК для снижения норм расхода гербицидов из группы глифосатов;
-
Перспективы внедрения в агротехнологиях комплекса АК совместно с биопрепаратами, в том числе способы и сроки их внесения;
-
Экономическая эффективность применения экзогенных АК в агро-технологиях.
Степень достоверности полученных результатов. Основные исследования выполнены в период обучения в докторантуре на кафедре физиологии и биохимии растений ФГБОУ ВО «Кубанский государственный аграрный университет имени И. Т. Трубилина» в соответствии с тематическим планом НИР (№01201153630) и гранта РФФИ №16-44-230-270 «Изучение механизмов действия на растения комплексов физиологически активных веществ с целью эффективного управления продукционным процессом в агроценозах».
Результаты, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертационной работе, обоснованы экспериментальными исследованиями, проведёнными в лабораторных, вегетационных, полевых и производственных условиях. Достоверность полученных результатов обеспечена использованием современных методов анализа и подтверждена статистической обработкой экспериментальных данных, результатами производственных испытаний и внедрения в сельскохозяйственных предприятиях различных регионов России.
Апробация и внедрение результатов исследований. Результаты исследований представлены на международных конференциях: 8th International Conference on Pseudomonas syringae and related pathogens (Oxford. UK, 2010); конференция посвящённая 70-летию Волгоградского государственного аграрного университета и кафедры «Земледелие и агрохимия» (г. Волгоград,
2014); «21 век: фундаментальная наука и технология» (North Charleston. USA, 2015); «Борьба с засухой и урожай», посвящённая 120-летию со дня рождения К. Г. Шульмейстера (г. Волгоград, 2015); 13th International Conference on Precision Agriculture (St. Louis, Missouri, USA, 2016); «Интеллектуальный потенциал XXI века, 2016» (г. Одесса, Украина, 2016); «Зимняя конференция ассоциации сторонников прямого сева» (г. Ростов на Дону, 2017); «Инновационные приёмы во влагосберегающих технологиях возделывания сельскохозяйственных культур» (г. Костанай, Казахстан, 2017); на Всероссийских конференциях: «Бактериальные болезни растений – глобальная проблема современности» (г. Краснодар, 2009); «Современные технологии и перспективы использования средств защиты растений, регуляторов роста, агрохимии-катов в агроландшафтном земледелии» (г. Анапа, 2010); «Перспективы использования инновационных форм удобрений, средств защиты и регуляторов роста в агротехнологиях» (г. Анапа, 2014); «Современные проблемы иммунитета растений к вредным организмам» (г. Санкт-Петербург, 2012); Третий Всероссийский съезд по защите растений «Фитосанитарная оптимизация аг-роэкосистем» (г. Санкт-Петербург, 2013); «Перспективы использования новых форм удобрений, средств защиты и регуляторов роста растений в агро-технологиях сельскохозяйственных культур» (г. Анапа, 2016); на ежегодных конференциях КубГАУ «Научное обеспечение агропромышленного комплекса» (г. Краснодар 2008-2015 гг.); XIV международной агропромышленной выставке «Золотая Нива» (г. Усть-Лабинск, 2014 – отмечена дипломом); XIV Российской агропромышленной выставке «Золотая Осень» (г. Москва, 2014, проект: «Биотехнология производства микробиологических препаратов и её системное использование для защиты растений от болезней, насекомых-вредителей и повышения урожайности» отмечен серебряной медалью ВДНХ); Международном салоне «Архимед» (проект: «Биотехнологии и ами-
нокислоты в защите растений» занял 1-е место); конкурсе инновационных проектов «Инноватор Кубани» (г. Краснодар, 2014 – отмечена дипломом в номинации «Лучший инновационный проект в агропромышленном комплексе»); конкурсе «Инновационный Краснодар» (г. Краснодар, 2014 – проект «Применение биотехнологии производства микробиологических препаратов и её системное использование в защите растений от болезней и насекомых-вредителей, повышении урожайности» занял 2-е место); ХIII Международном инвестиционном форуме «г. Сочи – 2014» (работа «Биотехнологии в растениеводстве» отмечена Благодарственным письмом Министерства стратегического развития, инвестиций и внешнеэкономических связей Краснодарского края).
Работы по внедрению экзогенных АК и микробиологических средств в агротехнологиях проведены в рамках ООО МИП «Кубанские агротехноло-гии», ООО «Планета» (г. Курган) и ООО «Агронова» (г. Волгоград), в Краснодарском и Ставропольском краях, Волгоградской, Воронежской, Курганской, Липецкой, Новосибирской, Орловской, Ростовской, Самарской, Свердловской, Челябинской областях, республиках Крым, Башкирии и Чувашии на общей площади 470 тыс. га., а так же в ООО «Гелиос» на площади 4,5 тыс. га., ООО «Кавказ», на площади 8 тыс.га., ООО «Скиф», на площади 5 тыс. га.
Личный вклад соискателя в проведении научных исследований и получении наиболее значимых научных результатов состоит в следующем:
– определение актуальности проблемы в области физиологии и биохимии растений и отрасли растениеводства, а также разработка программы исследований;
– непосредственное участие в закладке опытов и проведении научных экспериментов (лабораторных, вегетационных и полевых);
– получение исходных данных, их осмысление и интерпретация;
– личное участие в апробации результатов исследований;
– анализе и синтезе полученных результатов экспериментов и их публикации в различных научных изданиях, в т. ч. в рекомендованных ВАК РФ.
Публикации результатов исследований. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 43 научных работах, в том числе: в монографии и учебном пособии для магистрантов, в 35 статьях (в том числе 11 статей в рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ), по результатам работы получено 6 патентов на изобретения.
Объём и структура диссертации. Диссертация изложена на 275 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырёх глав, заключения, рекомендаций производству, списка использованных литературных источников и приложений; содержат 52 таблицы, 72 рисунка; список литературных источников включает 173 ссылку, в том числе 122 на иностранном языке.
Повышение устойчивости растений к экстремальным температурам
Средняя температура на Земле +0,87C, в то же время как даже зимостойкие культуры не способны развиваться при температуре ниже +3C [6]. Температура в зонах с умеренным климатом также может опускаться ниже –30С. Тем не менее, несмотря на летальный эффект от замораживания, для многих организмов жизнь продолжается и в холодных ареалах нашей планеты.
Выявлено много видов организмов, которые способны жить только в условиях низких температур. Например, психрофильные бактерии, как правило, не могут расти при температурах, значительно выше +15С, но могут существовать при отрицательных температурах, а некоторые водоросли не могут расти при температуре выше +10С.
Жизнеспособные бактерии были выделены из недр вечной мерзлоты Антарктиды, где они могут существовать тысячелетиями в условиях непрерывной глубокой заморозки (при температуре от –25С до –30С). На этом континенте имеются холодные пустыни с экстремальными условиями, где наблюдаются засушливые явления из-за широкого интервала ежегодного изменения температуры (от –55С до +10С), которые приемлемы для существования удивительного разнообразия видов дрожжей и цианобактерий [151].
Организмы, которые выживают при минусовых температурах, делятся на две основные группы – поддерживающие все нормальные жизненные функции при низких температурах и изменяющие обычные процессы жизнедеятельности. Одна из стратегий морозоустойчивости – сублимационная толерантность, способность переносить замораживание межклеточными жидкостями организма.
Абиотические стрессы, в том числе, низкая температура, могут значительно сократить урожайность, особенно у восприимчивых сортов сельскохозяйственных культур. Именно поэтому, знание о молекулярных основах устойчивости к стрессам может помочь улучшить её уровень, что имеет большое значение для сельского хозяйства.
Процесс акклиматизации – это индуцируемый фактор и требует предварительного периода воздействия низких температур без промерзания, с тем, чтобы запустить физиологические процессы морозостойкости [117, 167]. Этот процесс, называемый холодной акклиматизацией (CA) или закалкой индуцирует изменения в протоплазме, влияет на содержание клеточных метаболитов и изменения в клеточных мембранах [112, 103, 55,154].
Клеточная мембрана считается наиболее уязвимой для повреждения от отрицательных температур [117] и уровень её повреждения считается одним из основных показателей толерантности растений к морозам [112], аналогично происходит и по отношению к другим дегидратационным повреждениям, таким как засуха [111, 142, 148].
На сегодняшний день комплексное исследование изменения состава клеточных метаболитов под влиянием дегидратационных процессов и промораживания выполнено на ряде сельскохозяйственных культур [150]. В их числе пшеница, ячмень и земляника лесная [110].
Для предотвращения осмотического стресса и обезвоживания цитоплазмы во время дефицита воды, растения синтезируют и накапливают осмопротекторы (или совместимые растворимые вещества), главным образом, в цитоплазме [98]. Так, обезвоживание цитоплазмы приводит к возникновению вторичного стресса в период её восстановления от промерзания, в противовес этому во время закалки растения в клетках накапливаются осмопротекторы [109,103].
Кроме того, роль клеточных метаболитов проявляется и в стабилизации клеточных мембран и белков в период воздействия агентов, вызывающих дегидратаци-онные процессы [172].
К весьма значимым осмопротекторам растений относятся [94]:
– фруктоза,
– глюкоза,
– сахароза,
– трегалоза,
– рафиноза,
– маннитол,
– сорбитол,
– пролин,
– аланин.
Некоторые из этих соединений могут служить в качестве поглотителей активного кислорода, среди них маннитол [161], сорбитол и пролин [164].
В результате закалки двудольных (например, Arabidopsis), увеличивается содержание различных углеводов в клетках растений, в том числе: глюкозы, фруктозы, сахарозы и рафинозы [97] .
Накопление АК в клетках растений может быть результатом различных процессов. Например, если синтез некоторых белков будет приостановлен, то часть АК могут остаться неиспользованными [132].
Из-за более низкой интенсивности клеточного дыхания при низкой температуре накапливаются пируват и оксалоацетат, которые могут быть использованы для синтеза одних и тех же АК, например, аспарагиновой кислоты, лизина и аланина [130], но, при этом, включение АК в цепь дыхания прекращается или уменьшается [132].
Установлено, что у вида растений Lolium perenne в период закалки увеличивается содержание аланнина и пролина, причём интенсивность их накопления в значительной степени зависит от генотипов испытуемых сортов. Так, в обоих генотипах вначале закалки выявлена индукция накопления пролина, но не выявлено существенных различий между наблюдаемыми генотипами (HFT и LFT) по накоплению глицина и глутаминовой кислоты. Тем не менее, определено, что в период закалки растений уровень концентрации глицина был ниже, а глутаминовой кислоты – выше по сравнению с периодом времени до начала процесса закалки. Более высокое содержание аспарагиновой кислоты было выявлено для генотипа HFT на 26-й час и на 14-й день после воздействия низкой температуры. Оба анализируемых генотипа показали повышенный уровень накопления этой АК в период закалки, а также серина и лизина. Тем не менее, уровень накопления серина был выше, через 7, 14 и 21 суток после закалки в генотипе HFT, а уровень лизина был выше, после 3-х суток закалки в генотипе LFT. Содержание аспарагина также было выше в этот период по сравнению с состоянием до низкотемпературных воздействий.
Другие исследователи подтвердили, что процесс закалки оказывает влияние на содержание некоторых метаболитов у плевела многолетнего, что может иметь важное значение для повышения морозостойкости [73]. Было установлено, что наиболее важные АК в этом процессе – это аланин, пролин, аспарагиновая кислота, но при этом не было обнаружено влияния на него содержания глицина.
Однако происходят изменения по содержанию таких АК как серин и лизин, а также сахаров: фруктозы, глюкозы, сахарозы, трегалозы, маннита, сорбитола и инозита. Наблюдаемые различия в уровне их содержания между генотипами L. perenne может быть частично связано с временной точкой закалки, при которой уровень накопления важного метаболита начал расти.
В генотипе HFT с высокой морозостойкостью, наблюдались ранее накопления пролина и аспарагина. Увеличение количества аланина, аспарагиновой, глутамино-вой кислоты и аспарагина, могут быть вовлечены в процесс акклиматизации и регулирования интенсивности фотосинтеза. Однако учёными не изучен вклад этих соединений в процесс закалки, хотя более ранние работы показали, что генотип HFT может иметь более интенсивный углеводный обмен веществ при низких температурах. Роль пролина в осмотических процессах в растениях во время стрессов была также описана в 1993 г. [73].
Пролин является протеиногенной аминокислотой и имеет важное значение для первичного метаболизма. После первого сообщения о накоплении пролина в увядающих растениях многолетнего растения райграса (Lolium perenne), активизировались многочисленные исследования в этом направлении. Они показали, что содержание пролина в растениях возрастает под воздействием различных экологических стрессов. Результаты этих многочисленных исследований свидетельствуют о накопление пролина в следующих внешних условиях:
1. Засуха [60];
2. Высокая засолёность [173];
3. Увеличенное световое и ультрофиолетовое облучение [155];
4. Повышенная концентрация тяжелых металлов;
5. Окислительный стресс;
6. Ответ на отрицательные биотические факторы. [78]. Осмопротекционная функция пролина была впервые обнаружена у бактерий и была доказана причинно-следственная связь между накоплением пролина в клетках и солеустойчивостью [87]. Эти данные привели к появлению предположения о том, что накопление пролина в растениях (под действием какого либо стресса) связано с его защитной функцией [99].
Однако корреляция между накоплением пролина в растениях и устойчивостью к абиотическим стрессам не всегда очевидна. Например, выявлено [171], что высокий уровень содержания пролина в растительных тканях может быть свойственен чувствительному к холоду мутанту резуховидки Таля (Arabidopsis). Высокое содержание пролина определено также у растений засухоустойчивых сортов риса [60]. Однако не выявлено [59, 170] корреляции между его содержанием с устойчивостью к засолению у ячменя (Hordeum vulgare).
Почвенно-климатические условия в регионах проведения полевых и производственных испытаний
Почвенно-климатические условия Краснодарского края. Краснодарский край расположен в южной части РФ, между 4330 и 465 северной широты и 3630 – 4145 восточной долготы, он занимает западную часть Кавказа и Предкавказья. Климат края формируется под воздействием комплекса физико-географических условий, из которых наиболее важными являются: солнечная радиация, циркуляция атмосферы и подстилающая поверхность.
Район Юго-Востока, на котором находится территория данного региона, является местом соприкосновения различных систем атмосферной циркуляции. В зимний период года погодные условия здесь, как правило, определяются влиянием отрога азиатского барического максимума. Зимой по его юго-западной периферии происходит вынос с юго-востока и востока сухого и очень холодного воздуха, а весной теплого и так же сухого воздуха. Сильные восточные ветра, вплоть до урагана, а в малоснежные зимы и ранней весной они могут вызывать пыльные бури, а при снеге – метели. Кроме того, характерной чертой атмосферной циркуляции в зимний период являются частые сносы масс тёплого воздуха из района Чёрного моря и соседних с ним южных стран. Часто это происходит в результате сходов так называемых южных циклонов, провоцирующие значительные осадки и резкие потепления (особенно в предгорной зоне края).
Тёплое полугодие имеет в основном западно-восточные переносы воздушных масс по краю полосы высокого давления (азовского происхождения), что формирует стабильную жаркую погоду. Нередко такая циркуляция обравается заходами западных и южных циклонов, провоцирующих сильные ливневые осадки с грозами, а так же значительными градобитиями. На юге края (на побережье Чёрного моря) регулярно образуются местные циклоны, которые также формируют здесь сильные ливни [5,1].
Частое возникновение экстремаьных погодных явлений таких как: сильные ливни (более 50 мм за полусутки), пыльные бури, выпадение града, ураганные ветра, взаимосвязано со свободным доступом холодного воздуха с северных районов России, и теплого с юга, ведущего к активной деятельности циклонов. Ежегодно возникает по 50–70 экстримальных погодных явлений, часто наносящих существенный экономический ущерб.
Разнообразие ландшафтов и сложные физико-географические условия, а также близость теплых морей и наличие высоких горных хребтов Кавказа вносят существенные изменения в перенос воздушных масс и характеризуют большое разнообразие климата на территории Краснодарского края. На этой территории вероятны резкие переходы от континентального сухого климата до умеренно континентального, но в то же время тёплого и влажного климата в предгорных районах, но холодного климата в высокогорьях и субтропического климата в районе Сочи.
Территория Краснодарского края благодаря своей южной широте получает много тепла. Продолжительность солнечного сияния здесь составляет 2200–2400 часов в год, а количество суммарной солнечной радиации, поступающей на его территорию, колеблется от 115 ккал/см2 на севере края до 120 ккал/см2 на юге.
Наибольшая сумма температур воздуха за период с температурами выше 10 накапливается на Черноморском побережье – до 4000–4200С, на равнинной части территории она составляет 3400–3600С, а в предгорьях – 3000–3400С. С увеличением высоты местности количество тепла убывает. Так, в горах на высоте 2000 м над уровнем миря сумма активных температур составляет 1000С, что не пригодно для выращивания сельскохозяйственных культур даже с самым коротким вегетационным периодом.
Продолжительность тёплого периода (с температурой воздуха свыше 0С) на большей части территории составляет 9–10 месяцев, а на Черноморском побережье устойчивого перехода через 0С не бывает, т. е. снижение температур воздуха до отрицательных значений наблюдается в холодный период лишь в течение нескольких дней. Продолжительность безморозного периода в большинстве районов составляет 180–200 дней, а на Черноморском побережье – 220—260.
Распределение осадков по территории крайне неравномерно. Количество осадков за год увеличивается по территории в направлении с севера на юг и в среднем составляет на большей части равнинных районов 500–600 мм, а в предгорьях и прилегающих к ним равнинных районах оно увеличивается до 700–800 мм и в горах – 800–2000 мм. На равнинной части максимум осадков приходится на лето, а на побережье – на холодную часть года. Дефицит осадков в равнинных районах определяет сухость воздуха и почвы, что вызывает частые засухи и суховеи. Но в горах суховейные явления отсутствуют, а на побережье засухи бывают редко и слабой интенсивности (рисунок 2).
Староминский район. Расположен на севере Краснодарского края. Площадь территории - 1060 км2. Для Староминского района характерны мягкая зима и жаркое лето. Климат умеренно континентальный. Безморозный период продолжается 178-190 дней. Первые заморозки могут наблюдаться во второй половине сентября, последние – во второй декаде апреля. Зима неустойчивая, с частыми оттепелями, высота снежного покрова не превышает 12-18 см. Самые жаркие месяцы – июль-август. Район находится в зоне Кубано-приазовских степей, пологоволнистой равнины с уклоном на северо-запад. Калининский район. Расположен в западной части Краснодарского края. Общая площадь составляет 149,9 тыс. га. Климат умеренно-континентальный, с недостаточным увлажнением. Преобладает теплая солнечная погода. Среднегодовая температура +11оC. Лето жаркое. Июль имеет среднемесячную температуру +22оC. Средняя температура января -3оC. Осадки выпадают преимущественно в виде дождей. Общее количество осадков, а именно 550-600 мм, достаточно для нормального увлажнения почвы, но они распределяются по месяцам очень неравномерно. Большая часть их выпадает в осенне-зимний период. Климатические условия за период исследований 2013–2016 вегетационных лет характеризуются сухим летом в 2013– 2015 гг. (так в июле 2015 г. не выпало осадков совсем), в то же время с октября 2015 г. по июнь 2016 г. выпало рекордное количество осадков, что характеризовало весь вегетационный год (за исключением периода август сентябрь).
Почвы в крае представлены 108 наименованиями: мощные и сверхмощные чернозёмы, чернозёмы обыкновенные, серые лесные, бурые лесные, дерново-карбонатные, коричневые, лугово-чернозёмные, луговые и прочие. Азово-Кубанской равнине свойственны плодороднейшие в стране чернозёмы (отличающиеся от чернозёмов других регионов России большой мощностью гумусового слоя, часто превышающего 120 см). Когда толщина снежного покрова не превышает 15–20 см, почва может промерзать на глубину 25–30 см, а в бесснежные зимы – до 30–40 см. По данным государственного кадастра земель, бонитет сельскохозяйственных угодий и пашни в крае самый высокий в России. Практически вся Прикубанская низменность располагается в зоне степей, а основную часть её повенного покрова составляют предкавказские карбонатные и выщелоченные чернозёмы, но на Таманском полуострове – каштановые, западно-предкавказские и болотные почвы [5,1].
Использование аминокислотного комплекса на основе метионина в целях защиты различных сельскохозяйственных культур от бактериозов
Основные эксперименты по применению комплекса АК метионина были проведены на зерновых колосовых культурах, но его эффективность на других сельскохозяйственных культурах оказалась также высокой. Для этого скрининг был осуществлён с помощью разработанного нами способа определения инфицированности семян фитопатогенными бактериями Pseudomonas и Xanthomonas (Патент РФ 2492611). Этот способ позволяет определить эффективность действия бактерицидов за короткий период. Надо отметить, что метионин входит в состав ряда АК комплексов, которые применяются на многих культурах.
Среди таких культур можно отметить рапс, который также поражается рядом бактериальных возбудителей болезней, в т. ч. Pseudomonas syringae pv. maculicola (Mc Culloch) Young et al. (возбудитель бактериальной пятнистости капусты). Кроме того Xanthomonas campetstris pv. armoraceae (Mc Culloch) Dye, (вызывающий жёлтую пятнистость листьев капусты), что сопровождается пятнистостью листьев, интенсивным образованием антоциана, сокращением темпов роста, снижением устойчивости к стрессам, угнетением растений и даже гибелью посевов. Это проявляется вследствие инфицированности семян фитопатогенными бактериями. Такая ситуация проявилась в ООО СПК «Скиф» Каневского района Краснодарского края (2015), где нами было диагностирован бактериоз озимого рапса сорта Лорис. В этой связи нами была рекомендована обработка АК этих посевов рапса [20], которая и позволила защитить их от бактериозов (рисунок 22). Это обеспечило получение урожайности маслосемян 4,1 т с 1 га (при 2,2 т с 1 га на контроле).
Учитывая, что соя (как высоко рентабельная культура) может значительно поражаться бактериозами [13, 16], нами были проведены эксперименты по изучению влияния обработки семян комплексом АК на ростовые процессы и поражение бактериозом. Результаты этих опытов показали, что в условиях естественного инфицирования семян фитопатогенными бактериями (Pseudomonas syringae spp.) такая обработка весьма эффективна (таблица 11).
Так, значительно снизилось поражение бактериозом (с 89 % на контроле до 21 %), существенно увеличились биометрические параметры проростков (как относительно контроля, так и эталона).
Это отразилось и на физиологических параметрах растений сои в фазе налива семян: площади листьев, содержании хлорофиллов в листьях, продуктивность работы листьев (Q) (таблица 12).
Под влиянием обработки семян сои комплексом АК на основе метионина и ароматических АК резко увеличились такие показатели фотосинтетической активности как площадь листьев (почти вдвое), содержание хлорофиллов в листьях (на 24 %), продуктивность работы листьев (Q, на 0.4 г/дм2 в сутки) и чистая продуктивность фотосинтеза (ЧПФ, на 0,3 г/м2 в сутки). Это и привело к значительному возрастанию относительно контрольного варианта (и эталона) одного из важнейших показателей продуктивности растений сои – количества бобов с 24 шт./растение до 42 шт./растение. В эталонном варианте сказалось токсическое действие фунгицида ТМТД, поэтому физиологические параметры мало чем отличались от контроля.
Закономерно, что сущестенное увеличение физиологических параметров (в том числе чистой продуктивности фотосинтеза - ЧПФ) под влиянием обработки семян сои комплексом АК по сравнению с контролем привело и к росту урожая (таблица 13).
Так, несмотря на засушливые условия в годы проведения опытов, урожайность сои в варианте обработкой семян сои комплексом АК оказалась существенно выше контрольного варианта и эталона. В то же время в варианте с обработкой семян сои фунгицидом (ТМТД) прибавка урожайности к контролю (+ 1 т с 1 га) была недостоверной.
Весьма убедительные результаты были достигнуты и на кукурузе. Так, в производственном испытании в результате обработки семян урожайность зерна в среднем возросла на 2 т/га (таблица 14).
Высокий эффект был достигнут применением метионина для защиты томата от ряда бактериальных болезней, вызываемых фитопатогенными бактериями из родов Pseudomonas и Xanthomonas. Это особенно важно для условий защищённого грунта, где проблему бактериозов на томате трудно решить исключетельно использованием препаратов ТМТД и Фитолавин (из-за угрозы возникновения к ним резистентности у бактерий и появления остаточного количества пестицидов в товарной продукции, что негативно сказывается на её потребительских качествах). Как показали многочисленные производственные испытания экзогенный метионин обеспечивает защиту от этих бактериозов [20], при этом развитие болезни достигает лишь 2-5% (рисунок 23). Кроме того это не влечёт за собой накопления вредных для организма веществ в конечной продукции овощеводства в силу безопасности АК и крайне малой применяемой её дозы (всего 5-11 г/га).
При этом в контрольном варианте бактериоз оказался высоко вредоносным, что выразилось в некрозах листьев (развитие болезни – 25-30 %), появлении некротических пятен на плодах, снижении их урожайности и качества (рисунок 24).
Исключительная важность использования АК для защиты растений при возделывании томата связана с тем, что на этой культуре паразитирует целый ряд возбудителей бактериозов. В их числе: Pseudomonas solanactarum (E. F, Smith) Bergey (возбудитель карантинной болезни бактериального увядания томата), P. corrugate Rodtrts (возбудитель некроза сердцевины томата), P. syringae spp. (возбудитель бактериальной пятнистости томата), Xanthomonas vesicatoria (Doidge) Vauterin en al. (возбудитель чёрной бактериальной пятнистости томата и перца). Кроме того, с меньшей биологической эффективностью: Tomato stolbur phytoplasma (PhLO) – возбудитель столбура томата и баклажана, Clavibacter michiganensis pv. michiganensis (возбудитель бактериального рака томата и перца), Agrobacterium tumefaciens (Smith et Townsend) Conn. (возбудитель корневого рака томата). Причём все они попадают в число восприимчивых к этому индуктору иммунитета. Нельзя не отметить и его экологичность с учётом того, что АК не являются пестицидами, не токсичны для человека и не накапливаются в растительных тканях.
Весьма убедительные результаты были получены и для индукции иммунитета против гнили донца лука (возбудитель Pseudomonas syringae spp.). Так, в КФХ «Шапошник» Калининского района Краснодарского края была обнаружена нами эта болезнь на плантации лука (гибрид Кэнди) с высокой распространённостью [20] болезни (таблица 15, рисунок 25). Болезнь проявлялась с симптомами некроза кончиков листьев и корневой гнили (побурение корней).
Для решения этой проблемы нами была рекомендована схема, базирующаяся на использовании АК метионина, что уже через 7–10 суток после двукратной обработки привело к желаемому результату – подавлению болезни (см. таблицу 15 , рисунок 26).
Аналогичная ситуация сложилась на плантации лука, находившейся рядом (эталонный вариант), но против гнили донца здесь применили трёхкратную обработку фунгицидом Фалькон, что не привело к положительному результату (рисунок 27).
Результат этого производственного испытания показал, что наряду с подавлением болезни путём обработки плантации лука АК метионином был достигнут высокий показатель качества – высокий (98 %) выход товарной продукции, а в варианте с защитой фунгицидом наоборот – очень низкий – 37% (см. таблицу 15).
Таким образом, использование метионина целесообразно для защиты ряда сельскохозяйственных культур от бактериальных болезней, вызываемых фитопатогенными бактериями из родов Pseudomonas и Xanthomonas.
Иммунологические и физиологические основы применения комплекса аминокислоты + биопрепараты в агротехнологиях
Известно, что один приём редко приводит к повышению урожайности, но исключение составляет лишь доминирующее влияние какого-то фактора, определяющего основу формирования продуктивности агробиоценозов. Например, сильное поражение растений возбудителем бактериальной корневой гнили. При снятии этого фактора можно достичь максимальных результатов [13]. Однако, как правило, для реализации максимальной продуктивности необходимо задействовать комплекс мероприятий, в том числе против болезней. Большинство биопрепаратов эффективны против многих микозов, однако от бактериальных болезней, как правило, микробиологические средства действуют слабее. Это подтвердили результаты наших опытов по поиску вариантов баковых смесей для обработки семян злаков. Так, протравливание семян такими культурами как Bacillus subtilis и Trichoderma обеспечило достаточно существенное уменьшение восприимчивости проростков к возбудителям фу-зариоза, но при этом поражение бактериозами осталось на высоком уровне. В то же время комплекс на основе этих микроорганизмов с АК привёл к уменьшению поражения бактериозом (возбудитель Pseudomonas syringae spp.) до 0–1 % (при 20 % на контроле) и повышению всхожести семян до 99 % (при 60 % на контроле). Следует заметить, что протравливание семян фунгицидом в этом опыте, хотя и значительно повысило их всхожесть и обеспечило подавление возбудителя фузариоза, но против бактериальной инфекции он оказалось неэффективным (таблица 27).
Так, в результате обработки семян Bacillus subtilis + АК прибавка к контролю длины корня оказалась +3,4 см, а длины ростка +1,1 см. В то же время одним биопрепаратом – +1.5 см и +0,2 см соответственно, а эти показатели у проростков, протравленных фунгицидом, практически оказались на одном уровне с контрольным вариантом. При этом разница между контрольным вариантом и вариантом с обработкой семян Bacillus subtilis + АК оказалась весьма контрастной и легко определялась визуально – растения были более развитыми, раскустившимися (рисунок 63). Это обеспечило хорошую перезимовку озимой пшеницы, быстрое начало весеннего отрастания растений, отсутствие признаков болезней и хорошую отзывчивость на раннюю весеннюю подкормку по сравнению с контролем [20].
В защите пшеницы от комплекса возбудителей корневой гнили предусматривается подавление фитопатогенных бактерий, вызывающих бактериальную корневую гниль и патогенных грибов (преимущественно видов Fusarium). Прежние способы защиты посевов зерновых колосовых культур от этой болезни основывались исключительно на применении фунгицидов и (или) антибиотиков [30, 13]. Однако современные методы, разработанные нами, базируются на обработке посевов, отмеченных выше культур, баковой смесью, включающей в себя комплекс АК (на основе метионина) и биопрепаратов (на основе флуоресцирующих псевдомонад – Pseudomonas fluorescens). Такие обработки целесообразно осуществлять при низких температурах окружающей среды – от 0 до +5 – 100С (допустимо и до15 – 170С). При таком интервале практически все, паразитирующие на злаках, возбудители грибного происхождения находятся в покое, а фитопатогенные бактерии (как правило, Pseudomonas syringae spp.) активно внедряются в растительные ткани. Растение-хозяин из-за низкой температуры среды имеет низкий иммунный статус. При этом вредоносность фитопатогена может быть очень высокой и, особенно, в условиях технологии Noill, когда на растительных остатках накапливается значительное количество патогенной микрофлоры, в том числе и Pseudomonas syringae spp., что приводит к сильному поражению растений пшеницы бактериальной корневой гнилью (рисунок 64).
В то же время флуоресцирующие псевдомонады при отмеченном температурном интервале также жизнеспособны и способны активно размножаться, используя для этого в качестве питательного субстрата покоящиеся патогенные грибы-микроорганизмы, а комплекс АК обеспечивает защиту от фитопатогенных бактерий Pseudomonas syringae spp. даже в условиях технологии Noill (рисунок 65).
В этой связи обработка посевов отмеченных выше культур оказалась весьма эффективной, то есть выдвинутая концепция полностью подтвердила свою актуальность и практическую значимость. Так, в полевых опытах этот агроприём оказался по эффективности более предпочтительным по сравнению с обработкой фунгицидом, причём даже в смеси с антибиотиком Фитолавином (таблица 30).
Так, по иммунологической характеристике растений после обработки посевов зерновых колосовых культур баковой смесью на основе метионина и флуоресцирующих псевдомонад этот способ показал свою целесообразность. При этом, следует заметить, что как АК, так и биопрепарат не могут оказать негативного влияния на агробиоценоз, а наоборот весьма положительно влияют на общее физиологическое состояние растений.
Эти опыты показали, что показатели продуктивности растений озимой пшеницы в варианте АК + P. fluorescens гораздо выше, чем в остальных вариантах защиты растений (таблица 31).
Так, по высоте растений в варианте АК + P. fluorescens прибавка составила +2,8 см, по длине корня - +3,8 см, по индексу кущения - +1,5 и по содержанию хло-рофиллов - +1,3 мг/дм2. Кроме того, результаты этих исследований показывают, что увеличение темпов роста растений озимой пшеницы, более высокое содержание фотосинтетических пигментов в листьях, формирование большего количества побегов кущения, а также повышение высоты растений и длины корней связаны с подавлением фитопатогенных бактерий. Т. е. все эти показатели взаимосвязаны с воздействием токсинов фитопатогена (в контрольном варианте) и пестицидов (фунгицида или антибиотика). В то же время в варианте с использованием АК + P. fluorescens синергетически проявляется стимулирующий эффект АК и биоагента (P. fluorescens). На более поздних этапах роста и развития растений разница по содержанию хлорофиллов между вариантами оказалась ещё больше (таблица 32).
Так, в фазе колошения сумма хлорофиллов (мг/дм2) в листьях растений озимой пшеницы сорта Таня под влиянием обработки посевов баковой смесью АК метиони-на + биопрепарат (на основе P. fluorescens) достигла 10,7-11,2, при 6,1-6,9 на контроле. Известно, что содержание хлорофилла, как правило, существенно влияет на продуктивность агробиоценозов за счёт усиления процесса фотосинтеза, а, следовательно, увеличения оттока его продуктов в генеративные органы (в том числе в семена). Этот фактор, а также подавление возбудителей корневой гнили обеспечили реализацию в дальнейшем более высоких показателях урожайности зерна озимой пшеницы в варианте с обработкой посевов этой баковой смесью (таблица 33).
Так, максимальная урожайность зерна оказалась в варианте с применением АК + P. fluorescens – 6,7-6,9 т/га, что существенно выше этого показателя на контроле (+1,8 и +2) и варианте с использованием баковой смеси Фитолавин + фунгицид (+0,6), но разница с вариантом АК + фунгицид оказалась недостоверной.
Таким образом, обработка посевов пшеницы баковой смесью АК метионином + биопрепарат (на основе P. fluorescens) обеспечивает защиту посевов от корневой гнили, стимулирует ростовые процессы. повышает содержание хлорофилла в листьях и существенно увеличивает урожай.
Производственные испытания, проведённые на различных зерновых колосовых культурах в ряде регионов России, полностью подтвердили результаты наших полевых экспериментов (таблица 34).
Во всех регионах, где применялся этот способ, была получена существенная прибавка по урожайности зерна различных зерновых колосовых культур – от 0,5 до 3,1 т/га. Причём в регионах, где доминировали бактериальные возбудители корневой гнили (Уральский регион), прибавка по урожайности зерна была особенно значительой (+1,4-+3,1 т/га). Кроме того, именно там, на фоне этих мероприятий, была зафиксирована рекордная для Уральского региона урожайность зерна в ООО «Красная Башкирия» на одном из двух полей – 10,6 т с 1 га (сорт тритикале Житница), а на втором поле этот показатель оказался также высоким – 8 т с 1 га. Следует заметить, что на третьем поле тритикале (контрольный вариант), где не были проведены такие защитные меры, наблюдалась полная гибель посевов от бактериальной корневой гнили (в фазе выхода в трубку), а это привело к пересеву.
Кроме того, для снижения себестоимости биологической защиты растений используется инновационный способ – их производство непосредственно в хозяйствах в разных объёмах (рисунок 66- 68).