FOLIAR IRON BIOFERTILIZATION OF RADISH USING ORGANIC AND INORGANIC FORMS UNDER LIGHT CULTURE CONDITIONS

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23649/JAE.2023.40.29
Issue: № 12 (40), 2023
Suggested:
29.11.2023
Accepted:
11.12.2023
Published:
19.12.2023
255
2
XML
PDF

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.

Содержание железа в корнеплодах редиса различных сортов

Рисунок 1 - Содержание железа в корнеплодах редиса различных сортов

Содержание железа в листьях редиса различных сортов

Рисунок 2 - Содержание железа в листьях редиса различных сортов

Обработка надземной части редиса сорта Октава привела к достоверному увеличению содержания железа только в листьях вариантов с магнетитом 0,01% – на 11,6% к контролю и корнеплодах – в вариантах с маггемитом 0,01% и 0,05% – на 26,9% и 12,5% соответственно и хелатом железа 0,1% – на 9,0%.

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».

Зависимость между содержанием железа в растениях и биомассой (ботва и корнеплод) редиса

Рисунок 3 - Зависимость между содержанием железа в растениях и биомассой (ботва и корнеплод) редиса

Некорневые обработки неорганическими и органическими соединениями железа повлияли на биометрические показатели растений: высоту надземной части и количество листьев (рис.4).
Влияние некорневых обработок соединениями железа биометрические показатели надземной части растений:а) на высоту растений; б) количество листьев

Рисунок 4 - Влияние некорневых обработок соединениями железа биометрические показатели надземной части растений:

а) на высоту растений; б) количество листьев

У сорта Петербургский фиолетовый все концентрации хелата железа, а также магнетит 0,1% и маггемит 0,05% достоверно увеличивали высоту растений, а у сорта Октава – все соединения и концентрации, кроме хелата железа, 0,01% (рис.4.). Количество листьев у Петербургского фиолетового в изучаемых вариантах не отличалось от контрольного, а у Октавы было выше при обработках магнетитом 0,01-0,05%.

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.

Article metrics

Views:255
Downloads:2
Views
Total:
Views:255