Земляника является одной из самых культивируемых ягод в мире, при этом культура чрезвычайно чувствительна к стрессовым факторам окружающей среды. Один из способов добиться ее устойчивого выращивания – использование в качестве удобрения биостимулятора на основе хелатов кремния. В недавнем исследовании в рамках проекта external link, opens in a new tabРНФ и Правительства Новосибирской области специалисты Центрального сибирского ботанического сада (ЦСБС СО РАН) показалиexternal link, opens in a new tab, что применение кремния, полученного в Институте химии твердого тела и механохимии СО РАН (ИХТТМ СО РАН) путем механохимической обработки рисовой шелухи и отходов зеленого чая, оказывает благотворное влияние на землянику во время роста в полевых условиях. Биостимулятор активирует системы антиоксидантной защиты растения, которая и помогает справляться со стрессом, а также стимулирует рост растений, наращивание зеленой массы, оказывает положительное влияние на качество плодов земляники, увеличивая содержание фенольных антиоксидантов (Патент RU 2 824 378 C1external link, opens in a new tab). Данные о накоплении кремния в различных частях растения специалисты получали методом рентгенофлуоресцентного элементного анализа в ЦКП «Сибирский центр синхротронного и терагерцового анализа» (ЦКП СЦСТИ). Уникальная возможность получать информацию о содержании легких элементов появилась благодаря апгрейду одной из пользовательских станций ЦКП, которую провели специалисты Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН).
На данный момент ученые активно изучают биостимуляторы на основе кремния, источником которых является возобновляемое растительное сырье (биогенный кремний в хелатной форме). Для данного исследования в качестве источника хелатов кремния специалисты использовали механокомпозит, полученный путем механохимической обработки рисовой шелухи и зеленого чая в ИХТТМ СО РАН.
ЗемляникаЦСБС СО РАН«Работа с механокопозитом, содержащим хелаты кремния, в нашем институте началась порядка десяти лет назад. Изначально он использовался в качестве пищевой добавки в птицеводстве для укрепления костей цыплят-бройлеров сразу после их рождения, – прокомментировал заведующий лабораторией механохимии ИХТТМ СО РАН доктор химических наук Олег Ломовской. – Что касается использования данного стимулятора в ботанике, то он благотворно влияет на процессы роста не только у земляники, но и других растений, в том числе хвойных».
«Размножение растений, начиная с выращивания in vitro (“в пробирке”, где из клеток изолированных тканей можно получить большое количество новых растений) и заканчивая выращиванием в полевых условиях, связано с последовательными изменениями окружающей среды и условий произрастания, – прокомментировала заведующая лабораторией биотехнологии ЦСБС СО РАН кандидат биологических наук Елена Амброс. – Устойчивость к стрессам на всех этапах является решающим фактором повышения продуктивности. Резкое изменение условий окружающей среды во время пересадки растений-регенерантов из стерильных в нестерильные условия может привести к повышению уровня стресса и повреждению тканей. В настоящее время накапливается все больше данных о способности кремния влиять на взаимодействие растений со средой и модифицировать реакцию защитной системы растений. С точки зрения стрессоустойчивости кремний рассматривается как “многоцелевой” квазисущественный элемент».
Результаты исследования показали, что использование механокомпозита из рисовой шелухи и зеленого чая положительно сказывается на состоянии роста и развитии растений земляники, а также на ее физиологических особенностях, толщине кутикулы листьев и др. Улучшенные показатели были связаны с более высоким содержанием кремния в корнях и побегах растений. Также исследователи отмечают, что благодаря хелатам кремния запускались различные физиологические процессы, которые усиливали антиоксидантную защиту растения, позволяя ему более эффективно нейтрализовать свободные радикалы.
Как отмечают специалисты, самостоятельно приготовить удобрение из рисовой шелухи и зеленого чая не получится, а о производстве биостимулятора говорить еще рано. По словам кандидата химических наук старшего научного сотрудника ИХТТМ СО РАН Игоря Ломовского, самостоятельно коммерциализировать разработку биостимулятора для растений Институт не планирует.
«Есть запрос от производителей гидропонных систем выращивания растений – мы отдали им образцы. Если испытания пойдут хорошо, то, наверное, они возьмут его в производство», – добавил Игорь Ломовской.
Слева - лист земляники, справа - ягода земляникиБ. ГольденбергДанные о распределении и накоплении кремния в различных частях растения специалисты ЦСБС СО РАН получали при помощи метода РФА для легких элементов на одной из пользовательских станций ЦКП «СЦСТИ». Так, например, было показано, что кремний переносится из почвы к корням и накапливается в побегах земляники.
«Одним из самых информативных методов получения данных об элементном составе изучаемого объекта является РФА-СИ, – отметил старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, старший научный сотрудник ЦКП «СКИФ» кандидат технических наук Борис Гольденберг. – Этот метод на протяжении многих лет успешно применяется на станции “Локальный и сканирующий рентгенофлуоресцентный элементный анализ” на накопителе ВЭПП-3 в ЦКП “СЦСТИ” для определения содержания химических элементов от K до U в геологических, биологических, материаловедческих, археологических и других объектах. Станция успешно работает и является одной из самых загруженных. Мы решили расширить возможности использования РФА-СИ в области обнаружения более легких элементов, расположенных в таблице Менделеева до калия».
Специалист добавил, что создать такие условия, которые позволят получать информацию о легких элементах, довольно сложно.
«В обычных условиях люминесцентные фотоны, вылетающие из легких элементов, значительно поглощаются в воздухе, – объяснил Борис Гольденберг. – Поэтому для достоверного элементного анализа необходимо вакуумировать пространство камеры. “Технологическая станция СИ” на накопителе ВЭПП-4М, которую мы используем для проведения учебных работ со студентами, отлично подходила для этих целей, так как уже оснащена вакуумными секциями. Но все же нам потребовалось ее серьезно модернизировать. Например, была разработана система окружения образца, обеспечивающая контролируемое и повторяемое взаимное совмещение образца, пучка СИ и детектора. Также станция была оснащена карусельным держателем образцов, позволяющим менять до восьми образцов по ходу эксперимента в вакууме, не открывая установку, и ряд других улучшений».
Апгрейд студенческой станции открывает уникальную возможность получать информацию о содержании легких элементов, таких как алюминий, кремний, фосфор, сера, хлор, дополнительно к возможностям панорамного РФА-СИ, ранее реализованного в ЦКП «СЦСТИ».
«Спрос на подобные исследования есть не только у ботаников и биологов, но и, например, у представителей авиационной промышленности, которые занимаются алюминиевыми сплавами. Исследования еще не закончены. Мы продемонстрировали возможности определения содержания именно легких элементов в образцах. Это будет востребовано в дальнейших исследованиях химического состава пищевых и лекарственных растений. Планируем в перспективе продолжить эти работы в ЦКП “СКИФ” на одной из станций второй очереди», – добавил Борис Гольденберг.