Зміна деяких фізіологічних показників рослин Phaseolus vulgaris L. за різної концентрації наномолібдену

Размещено на http://www.allbest.ru/

Стаття

на тему: Зміна деяких фізіологічних показників рослин Phaseolus vulgaris L. за різної концентрації наномолібдену

Виконав:

А.І. Герц

Досліджено у ґрунтовій вегетаційній культурі вплив позакореневого підживлення рослин квасолі звичайної сорту Буковинка різними концентраціями молібденового нанопрепарату. На підставі методу індукованої флуоресценції хлорофілу (ІФХ) та проведених морфо- фізіологічних досліджень встановлено, що оптимальною концентрацією мікроелементу є 240 мг/л. Виокремлено групу параметрів флуоресценції хлорофілу а, зокрема Ф_гаіІ, ^NPQ, що пов'язані з продуктивністю сорту та чутливі до зміни концентрації розчину молібдену для позакореневого внесення.

Ключові слова: квасоля звичайна, Phaseolus vulgaris L., молібден, ріст, хлорофіл, флуоресценція, індукція флуоресценції хлорофілу, нефотохімічне гасіння, ефективність фотохімії ФСII

Исследовано в грунтовой вегетационной культуре влияние внекорневой подкормки растений фасоли обыкновенной сорта Буковинка различными концентрациями молибденового нанопрепарата.

Определено, что концентрация наномолибдена 240 мг/л стимулирует увеличение массы сырого вещества надземной части растений, прежде всего, за счет увеличения площади и массы листьев.

Внекорневая подкормка растений молибденом влияет на содержание фотосинтетических пигментов листа. Обнаружен максимальный рост хлорофилла b и основных каротиноидов после применения раствора с концентрацией 360 мг/л - на 36,2% и 39,3%, что может указывать на формирование фотосинтетическим аппаратом защитной реакции в ответ на стресс. Микроэлемент в концентрации 240 мг/л достоверно и равномерно повышал содержание хлорофиллов a и b на 18,4% и 18,5%, что указывает на целесообразность применения для внекорневой подкормки культуры именно этого раствора. Влияние молибдена в концентрации 120 мг/л на листовые пигменты статистически недостоверно в сравнении с контролем.

В работе, с целью обоснования морфо-физиологических различий обусловленных действием ионов молибдена, осуществлена оценка состояния ФС II в P. vulgaris методом индуцированной флуоресценции хлорофилла а.

Благодаря корреляционному анализу определены ряд параметров, а именно: относительное содержание хлорофилла (SPAD), эффективность фотохимии ^PSII), индекс жизнеспособности (Rfd), которые положительно коррелируют (r = 0,51-0,53) с увеличением вегетативной массы растений, тогда как рост нефотохимичних процессов 9NPQ (r = -0,50) в ФС II, снижают фотосинтетическую продуктивность растений.

Выяснено, что ФPSII, 9NPQ, часть реакционных центров ФС II, которые находятся в открытом состоянии (qL), SPAD и Rfd чувствительны к изменению концентрации наномолибдена в растворе (Р <0,05) для внекорневой подкормки растений.

Подтверждено, что концентрация наномолибдена 240 мг/л положительно влияет на первичные процессы фотосинтеза. При таких условиях, на фоне высокого содержания хлорофиллов в листьях P. vulgaris, увеличивается часть освещения, которая реализуется через фотохимические процессы, существенно снижается уровень квантового выхода нефотохимичного тушения флуоресценции (9NPQ).

Концентрация наномолибдена 360 мг/л в растворе для внекорневого применения приводит к росту квантового выхода нефотохимичного тушения, что свидетельствует о фотоингибирования ФС II.

Ключевые слова: фасоль обыкновенная, Phaseolus vulgaris L., молибден, рост, хлорофилл, флуоресценция, индукция флуоресценции хлорофилла, нефотохимическое тушение, эффективность фотохимии ФС II

Molybdenum plays an important role in many physiological processes of plants as a part of more than twenty enzymes. First of all, this trace element influences the nitrogen metabolism of plants as a component of nitrate reductase, nitrogenase, activates the amination and transamination reaction required for the synthesis of leghemoglobin etc., which is especially important for legumes [5].

To increase its effectiveness molybdenum can be used in the form of nanopreparations, which have significantly higher biological reactivity compared to conventional micro fertilisers due to the longer and more active penetration of the active ingredient from nanoparticles into plants and its less phytotoxic influence [2].

The purpose of our study was to find out the most effective concentration of nanomolybdenum preparation by F. D. Ovcharenko Institute of Biocolloidal Chemistry) for foliar feeding of a plant.

Bukovynka cultivar of beans (Phaseolus vulgaris L.) growing in the greenhouse (in the stage of the first true leaves) has been used in the experiments. Plants were sprayed with aqueous solutions of molybdenum in concentrations of 120, 240 and 360 mg/l (respectively Mo_J20, Mo₂₄₀, Mo₃₆₀) or with the distilled water (control).

After treatment of the plant with molybdenum concentration of 240 mg/l the mass of aboveground parts of plants significantly increased by 128.4% and by 46.3% and 39.7% for the concentration of 120 and 360 mg/l respectively. A similar trend was found with the increased weight of fresh leaves, by 172.4%, 48.3% and 42.4% (control - 2.03 ± 0.19) and their total area - by 64.0%, 29.6% and 22.8% compared to the control (176.7 ± 16.8 cm²).

Spectrophotometric determination of chlorophyll a amount in leaves showed its highest increase in the alteration Mo₂₄₀ - by 18.4% compared to controls (70.0 ± 1.5 mg / 100 g of fresh weight); after treatment of plants by concentrations of 120 and 360 mg/l the amount of chlorophyll a increased by 6.3% and 10.0% respectively. Increased chlorophyll b and basic kinds of carotenoids were significant after applying the maximum concentration of molybdenum (360 mg/l) - by 36.2% and 39.3% compared to the control (155.4 ± 2.7 mg/100 g of fresh weight). Molybdenum concentration of 240 mg/l induced the increase of the amount of these pigments by 18.5% and 5.3%, and the concentration of 120 mg/l - by 4.2% and 7.0% before control, respectively.

All these changes can indicate certain peculiarity of plant metabolism reaction to molybdenum and the possible negative effect of high concentration of the microelement in 360 mg/l. Since it is known that the increase of plant carotenoids plays an important role in the formation of the protective mechanisms of photosynthetic apparatus against adverse factors.

In order to justify the above mentioned morphological and physiological differences, the condition of PS II of beans was estimated by a method of induced fluorescence of chlorophyll a.

Correlation matrix of fresh weight of above-ground parts of plant, areas of leaf plates and fluorescence parameters of chlorophyll a allow to distinguish a few parameters as follows: relative chlorophyll content (SPAD) [4], Ф^п [3], the vitality index (Rfd) [1], as the parameters that positively correlate with the increase of the vegetative weight of plants - the correlation coefficient is 0.51-0.53.

It has been found out that the increase in weight of above-ground parts of plants, the weight and area of leaf surface is caused by chlorophyll amount and the level of quantum yield of electron transport in photosystem II. The increase of nonphotochemical quenching (^NPQ) (r = -0.50) in PS II [4] reduces the photosynthetic productivity of plants.

To estimate the impact of different concentrations of molybdenum ions on parameters characterizing the state of PS II the one-way ANOVA test was conducted along with application of Tukey's test.

It was found that Ф_{га II}, ^NPQ, the fraction of PSII centres that are open (qL) [1, 3-4], the relative chlorophyll content (SPAD) and the vitality index (Rfd) are sensitive (P <0.05) to changes in the nanomolibdenum concentration in the solution for foliar feeding of plants.

It is worth mentioning that nanomolibdenum concentration of 240 mg / l has a positive effect on the primary processes of photosynthesis. Under such condition, the portion of light for Phaseolus vulgaris, which is realised through photochemical processes, has increased as evidenced by the parameter of PSII, and the level of the quantum yield of nonphotochemical quenching (^NPQ) has significantly reduced.

Nanomolibdenum concentration of 360 mg/l in the solution for foliar feeding of plants, reduces the Fm'-level of fluorescence. As a result, the role of nonphotochemical way of quenching the light energy increases. Thus, through inhibition of photosynthetic efficiency of photosystem II and the increasing role of nonphotochemical way of light energy transformation by the plant it is not appropriate to raise the concentration of nanomolibdenum from 240 mg/l to 360 mg/l.

Thus, nanomolibdenum with the concentration of 240 mg/l has the maximum stimulating effect in terms of accumulation of fresh weight of the above-ground parts of plants, area of leaf surface and the content of chlorophyll a and b for Bukovynka cultivar of beans.

We received a number of chlorophyll a fluorescence parameters, which show not only shortterm but also long-term after-effect of molybdenum on photosynthetic activity of the beans.

A group of parameters of chlorophyll a fluorescence that can be used for the rapid estimation of long-term effect of microelements has been singled out.

Keywords: common bean, Phaseolus vulgaris L., molybdenum, growth, chlorophyll, fluorescence, induction of chlorophyll fluorescence, non-photochemical quenching, efficiency ofphotosystem II photochemistry

Молібден відіграє важливу роль у багатьох фізіологічних процесах рослин, оскільки входить до складу більше ніж двадцяти ферментів. Перш за все, цей мікроелемент впливає на азотний обмін рослин, оскільки є компонентом нітратредуктази, нітрогенази, активує реакції амінування і переамінування, необхідний для синтезу леггемоглобіну тощо, що особливо важливо для бобових культур [3, 10, 20]. Молібден необхідний під час білкового синтезу, вуглеводного обміну та обміну фосфорних сполук, синтезу вітамінів і хлорофілів тощо [17]. Дефіцит молібдену виявляється в першу чергу на кислих ґрунтах через його зв'язування оксидами алюмінію і заліза та органічними сполуками [7, 10, 18]. Тому, у сільськогосподарському виробництві нестачу мікроелементу усувають не лише оптимізацією рівня кислотності і внесенням мінеральних добрив у ґрунт, а й застосуванням під час передпосівної обробки насіння та позакореневим підживленням рослин [7, 17, 19, 21, 24]. Підвищити ефективність застосування молібдену може його використання у формі нанопрепаратів, які володіють значно вищою біоактивністю, порівняно із звичайними мікродобривами, завдяки активнішому і тривалішому проникненню діючої речовини з наночастинок у рослини та менш вираженою фітотоксичною дією. Передпосівна обробка насіння та обприскування рослин такими препаратами забезпечує стимулювання їх росту, підвищення стійкості до абіотичних і біотичних стресових чинників, оптимізує симбіотичну азотфіксацію, зумовлює вищу продуктивність тощо [1, 11, 15, 23].

Отже, метою нашого дослідження було за ростовими процесами і станом фотосинтетичного апарату рослин квасолі звичайної встановити найефективнішу концентрацію наномолібденового препарату вітчизняного виробництва для позакореневого підживлення.

Матеріал і методи досліджень

У дослідах використовували квасолю звичайну (Phaseolus vulgaris L.) сорту Буковинка, який відноситься до середньостиглих форм зернового напрямку продуктивності та рекомендований до вирощування у Лісостепу і Степу України з 2004 року.

Досліди проводились у лабораторії фізіології рослин і мікробіології кафедри ботаніки та зоології Тернопільського національного педагогічного університету імені Володимира Гнатюка. Рослини вирощувались у вегетаційних посудинах на чорноземі типовому малогумусному за 80% польової вологоємкості та штучному освітленні 15 кЛк.

Досліджуваний молібденовий препарат є колоїдним розчином мікроелементу концентрації 100 мг/л, який виготовлений в Інституті біоколоїдної хімії ім. Ф. Д. Овчаренка НАН України (м. Київ) шляхом відновлення Мо у розчині К₂Мо0₄ з подальшою стабілізацією наночастинок багатоатомними спиртами.

Квасолю у фазу перших справжніх листків обприскували водними розчинами нанопрепарату концентрації 120, 240 і 360 мг/л молібдену (варіанти, відповідно, Мо₁₂₀, Мо₂₄₀, Мо360) чи дистильованою водою (контроль). квасоля флуоресценція хлорофіл наномолібденовий

Експеримент тривав до фази трьох листків, під час якої досліджували висоту рослин, масу сирої і сухої речовини за загальноприйнятими методиками [4], загальну площу листкової поверхні методом висічок [8] та за допомогою ПЗ Petiole Android App, вміст основних листкових пігментів фотометрично [12].

Оцінка стану фотосинтетичного апарату рослин здійснювалась методом індукції флуоресценції хлорофілу (ІФХ). Вимірювання проводили за допомогою PAM-флуорометра MultispeQ Beta [22].

Повторність визначень 4-6-кратна. Статистичне опрацювання даних проводили за допомогою програми MS Excel та RStudio.

Результати досліджень та їх обговорення

Вирощування квасолі звичайної сорту Буковинка у ґрунтовій вегетаційній культурі показало, що позакореневе підживлення рослин нанопрепаратом молібдену позитивно впливає на ростові процеси вже у фазу третього справжнього листка (табл. 1).

Таблиця 1 Показники росту та площа листків рослин квасолі звичайної сорту Буковинка за дії наномолібдену різних концентрацій у фазу трьох листків