FOLIAR IRON BIOFERTILIZATION OF RADISH USING ORGANIC AND INORGANIC FORMS UNDER LIGHT CULTURE CONDITIONS
FOLIAR IRON BIOFERTILIZATION OF RADISH USING ORGANIC AND INORGANIC FORMS UNDER LIGHT CULTURE CONDITIONS
Abstract
The article discusses experimental data showing the possibility of effective foliar iron bio-enrichment of radish production of two varieties when grown under light culture conditions using nanoparticles of the element magnetite and maghemite and chelate form Fe-DTPA. The maximum iron content in radish leaves reached 322.7 mg/kg, in root crops – 164.0 mg/kg. The greatest effect on bio-enrichment of radish root crops of the variety Peterburgsky purple was obtained in variants with magnetite 0.05%, maghemite 0.05% and iron chelate 0.01% – by 79%, 95% and 138% to the control (water), respectively. The maximum bioavailability of iron by root crops was observed in the variety Octava when treated with maghemite in concentrations of 0.01% and 0.05%. Iron chelate 0.1% on both varieties increased root biomass by 21.7-40.3% to the control. The relationship between root biomass and iron content in root crops was established, which was approximated by a sigmoid function with R2=0.74. Increase of iron content in radish production in a certain range of non-toxic concentrations can contribute to solving the problem of iron deficiency in the diet.
1. Введение
Растительные продукты содержат широкий спектр веществ, необходимых для здоровья человека и животных. Среди этих питательных веществ железо выделяется как один из важнейших микроэлементов. Увеличение содержания железа в продуктах растительного происхождения по-прежнему является целью многих ученых по всему миру. Однако результаты не всегда достигают ожидаемых показателей . В настоящее время от железодефицитной анемии в мире страдают около 2 млрд. человек, преимущественно в развивающихся странах. Особенно уязвимы дети и женщины . Потребление железа для детей, подростков и взрослых составляет 7-11, 13 и 18 мг/сут соответственно
. По другим данным, согласно МР 2.3.1.2432-08, среднее потребление железа в разных странах 10—22 мг/сут, в Российской Федерации – 17 мг/сут. Установленные уровни потребностей для мужчин 8-10 мг/сут и для женщин 15—20 мг/сут. Верхний допустимый уровень потребления железа не установлен.Путями решения проблемы дефицита являются: расширение ассортимента применяемых продуктов питания, обогащение готовых пищевых продуктов микроэлементами, использование биологически активных добавок и биофортификация сельскохозяйственных растений. Последний путь представляется наиболее перспективным и экономически выгодным, способным охватить большую часть населения независимо от места проживания и социального статуса , , .
Использование наночастиц металлов для улучшения роста и развития растений в искусственных условиях представляет научный и практический интерес . По сравнению с ионами, входящими в состав солей, наночастицы микроэлементов быстрее проникают через мембрану клетки, эффективны в более низких концентрациях и значительно менее токсичны благодаря электронейтральности, наноразмерам (1–100 нм) и более высокой реакционной способности. Биологическую активность препаратов из наночастиц также объясняют особенностями их физико-химических свойств . Получены положительные результаты влияния наночастиц железа на рост, развитие, урожайность и химический состав огурцов, томатов, салата, бобовых культур , . Однако диапазон концентраций, в которых они положительно действуют на растения и безопасны для человека, является довольно узким, зависит от условий выращивания, вида и сорта культуры. Исследователи отмечают множественность механизмов влияния наночастиц на растения и сложность регуляции их поведения в окружающей среде, что свидетельствует о необходимости изучения взаимодействия тестируемых наночастиц с конкретными культурами . Хелаты элементов являются сложными органическими комплексами, близкими по структуре к природным веществам (хлорофилл, витамин В12), поэтому они безвредны и эффективны для растения, хорошо усваиваются при некорневых обработках (до 90%).
Агрономическая биофортификация позволяет за счет обработки тем или иным элементом семян, внесения в почву или фолиарно растений увеличивать содержание этого элемента и его биодоступность в продовольственных культурах. Использование некорневых обработок соединениями железа позволяет уменьшить дефицит элемента, необходимого для сбалансированного пищевого рациона всех групп населения. Интерес к биообогащенной продукции, как компоненту функционального питания у потребителей постоянно возрастает.
Цель работы: Определить возможности биофортификации редиса различных сортов соединениями железа при выращивании в интенсивной светокультуре
2. Методы и принципы исследования
Схема опыта включала трехкратную обработку (опрыскивание) надземной части растений: водой (контроль), водными суспензиями соединений железа: магнетитом (Fe3O4), маггемитом (γ-Fe2O3), и хелатом железа (11% Fe ДТПА- диэтилентриаминпентауксусная кислота) в концентрациях 0,01%, 0,05% и 0,1% каждое вещество. Порошки магнетита Fe3O4 и маггемита γ-Fe2O3 были синтезированы в Институте химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН методом химического осаждения солей в водном растворе, определен их фазовый состав и микроструктура
. Объектами исследования послужили растения двух сортов редиса, рекомендованных для условий светокультуры: Петербургский фиолетовый (фиолетовая окраска корнеплода), выведенный в ФБГНУ АФИ и Октава (белая окраска корнеплода). Сорт Петербургский фиолетовый характеризуется скороспелостью, устойчивостью к стеблеванию в светокультуре, высокой урожайностью, салатным типом листа и компактной листовой розеткой. Сорт Октава предназначен для открытого грунта, но считается перспективным для светокультуры, он урожайный, среднего срока созревания, характеризуется высокой устойчивостью к стеблеванию, салатным типом листа .Семена высевали в емкости с торфосмесью на основе верхового торфа фирмы «Агробалт» с добавлением глины и минеральных удобрений и дальнейшем выращивали в интенсивной светокультуре при облучении лампами ДНаЗ-400 (газоразрядные зеркализированные натриевые лампы). Облученность растений в опытах составляла 50±10 Вт/м2, продолжительность светового периода – 12 часов в сутки. В течении вегетационного периода температуру поддерживали на уровне 23±3°С днем и 20±3°С ночью. Редис поливали 3 раза в неделю 1,0 н раствором Кнопа без добавления микроэлементов. Первое опрыскивание проводили в фазу двух настоящих листьев и последующие два — с интервалом 5 дней. В каждом варианте выращивали по 24 растения, в трехкратной повторности. Биометрические измерения (высота растений, число листьев, размеры корнеплодов, сырая и сухая масса надземной части растений и корнеплодов) проводили при уборке по 5 растениям в каждой повторности. Химический состав ботвы и корнеплодов определяли после уборки атомно-спектрометрическим методом. Статистическая обработка данных осуществлялась с использованием программ Exel 2010 и Origin Lab 7.5. Достоверность различий между вариантами оценивалась при помощи методов параметрической статистики (t-критерий Стьюдента). Различия между вариантами считались достоверными при р≤0,05.
3. Результаты и обсуждение
Железо играет важную роль в жизни растения, влияет на фотосинтез, дыхание, входит в состав многих ферментов, регулирующих различные процессы, связанные с ростом и развитием: нитратредуктаза, пероксидаза, ферредоксин, нитрогеназа, дегидрогеназа, липоксигеназа, фитоферридин и др. В тканях растения железо находится в виде соединений Fe (II) и Fe (III), преимущественно в составе комплексов с различными органическими соединениями. В составе ферментов железо может быть как в гемовой, так и в негемовой форме .
Из табл.1 следует, что оба сорта редиса образовывали почти одинаковую биомассу корнеплодов и надземной массы, но отличались по накоплению железа. В растениях содержание железа в листьях было выше, чем в корнеплодах, что является также ценным, так как у этих сортов листья можно использовать в салатах. У сорта Петербургский фиолетовый железа в листьях было существенно больше, чем у сорта Октава, а в корнеплодах — несколько ниже. Максимальное содержание железа в листьях редиса достигало 322,7 мг/кг, в корнеплодах — 164,0 мг/кг.
Таблица 1 - Описательная статистика биомассы и содержания железа в растениях
Показатель | min-max | среднее |
Биомасса 1 растения, г | ||
Сорт Петербургский фиолетовый | ||
- корнеплоды | 24,3-43,0 | 31,4 ± 2,0 |
-листья | 10,9-20,8 | 15,4 ± 0,9 |
Сорт Октава | ||
-корнеплоды | 23,8-36,2 | 30,6 ± 1,4 |
-листья | 15,5-25,7 | 19,3 ± 1,1 |
Содержание железа, мг/кг | ||
Сорт Петербургский фиолетовый | ||
- корнеплоды | 68,8-147,0 | 110,9 ± 26,1 |
-листья | 121,9-322,7 | 205,5 ± 55,1 |
Сорт Октава | ||
-корнеплоды | 88,9-160,9 | 120,9 ± 22,5 |
-листья | 98,9-180,8 | 147,3 ± 24,1 |
Отдельные концентрации как органической, так и неорганической формы соединений железа повлияли на достоверное увеличение урожайности корнеплодов редиса. По сравнению с контролем в варианте с маггемитом 0,01% биомасса корнеплодов у сорта Петербургский фиолетовый была выше 11,3% и составила 5,9кг/м2, а в вариантах с хелатом железа 0,1%-6,5 кг/м2, что выше на 21,7%. У сорта Октава достоверное увеличение биомассы корнеплодов отмечали при обработке магнетитом в концентрациях 0,05% и 0,1% – на 32% и 34% соответственно в вариантах с маггемитом 0,05% – на 2% и хелатом железа – на 40,3%. В остальных вариантах прибавка урожайности корнеплодов была несущественной или ниже контроля.
Все изучаемые концентрации, кроме магнетита 0,01% и хелата Fe 0,1% на сорте Петербургский фиолетовый приводили к повышению содержания железа в листьях: магнетит 0,05-0,1% - на 35-16%, маггемит 0,01%-0,1% – на 9,0-29,9%, хелат железа 0,01%-0,1% – на 49,2-89,4% соответственно (рис. 1). В корнеплодах сорта Петербургский фиолетовый все применяемые препараты и все концентрации приводили к достоверному увеличению содержания железа по сравнению с контролем (обработка водой): магнетит – на 9,9-79,4%, маггемит — на 21,9-95,0%, хелат железа – на 44,2-138,0% (рис. 2). Максимальный эффект по биообогащению корнеплодов редиса сорта Петербургский фиолетовый был получен в варианте с хелатом железа 0,01% –147 мг/кг, а у сорта Октава - маггемитом 0,01% –160,9 мг/кг.
Рисунок 1 - Содержание железа в корнеплодах редиса различных сортов
Рисунок 2 - Содержание железа в листьях редиса различных сортов
Между биомассой растений редиса обоих сортов и содержанием в них железа установлена нелинейная зависимость, для описания которой использовали функции: полинома второй степени, экспоненциальной зависимости первого порядка и сигмоидную (Больцмана). Судя по коэффициенту детерминации (R2=0,74, P<0,0001), наилучшую аппроксимацию обеспечивала сигмоидная функция (рис.3). График функции показывает, что, биообогащение редиса соединениями железа не приводило к пропорциональному увеличению биомассы (ботва и корнеплод) и максимальное значение содержания железа соответствовало минимальному значению биомассы. С увеличением биомассы до 45-48 г происходило резкое снижение содержания железа в растениях, а затем кривая зависимости выходила на «плато».
Рисунок 3 - Зависимость между содержанием железа в растениях и биомассой (ботва и корнеплод) редиса
Рисунок 4 - Влияние некорневых обработок соединениями железа биометрические показатели надземной части растений:
а) на высоту растений; б) количество листьев
4. Заключение
Биофортификация растений редиса методом фолиарного опрыскивания растворами наночастиц магнетита и маггемита, хелата железа была в разной степени эффективной на сортах Петербургский фиолетовый и Октава. Наибольший эффект по биообогащению корнеплодов редиса сорта Петербургский фиолетовый был получен в вариантах с магнетитом 0,05%, маггемитом 0,05% и хелатом железа 0,01% - на 79%, 95% и 138% к контролю (вода) соответственно. То есть все соединения оказали достоверное положительное влияние, но органическая форма железа усваивалась несколько лучше неорганической. У сорта Октава наибольшее накопление железа корнеплодами отмечали при обработке маггемитом 0,01% и 0,05%. Также самая высокая из изучаемых в опыте концентраций хелата железа 0,1% на обоих сортах увеличивала биомассу корнеплодов на 21,7-40,3% к контролю. Максимальное содержание железа в листьях редиса достигало 322,7 мг/кг, в корнеплодах — 164,0 мг/кг и поскольку листья изучаемых сортов не имели опушения и пригодны в пищу, получен двойной эффект от биообогащения. Содержание железа в листьях было выше, чем в корнеплодах у обоих сортов. Зависимость между содержанием железа в растениях и биомассой (ботва и корнеплод) описывается сигмоидной функцией, R2=0,74.
Полученная в опыте биофортифицированная продукция редиса может служить дополнительным источником железа в пищевом рационе. Примерно 100 г таких корнеплодов в сутки достаточно для удовлетворения потребности в железе. Для обоснования практических рекомендаций по биообогащению редиса необходимы дальнейшие исследования с рекомендуемыми для условий светокультуры сортами.
Таким образом, увеличение содержания железа в овощных культурах в определенном диапазоне нетоксичных концентраций может способствовать решению проблемы дефицита железа. Кроме того, получение данного микроэлемента через продукты питания может увеличить его биодоступность, а использование условий светокультуры — круглогодично получать биообогащенную свежую продукцию.