Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
UDK 631.527 Селекция растений
UDK 57.04 Факторы. Воздействия
UDK 53.047 биологические
In recent years, attention has increasingly been paid to the search for new technologies that increase the productivity of agricultural plants. From this point of view, technologies for the use of pulsed electromagnetic fields in the radio wave range are of particular interest. The studies were carried out in experimental plots of the Institute of Agrobiotechnologies, Komi Science Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences in accordance with standard methods. Before planting, potato tubers of different varieties were subjected to electromagnetic radiation by the TOR device in the 15/5 mode (15 minutes of action, 5 minutes of break, three times a day before planting) with an individual spectrum of action. We observed an increase in the shooting rate of potato and a rise in yield after electromagnetic treatment. The introduction of increased doses of organic fertilisers significantly increased the yield and reduced the effect of pre-sowing electromagnetic irradiation but did not affect the increase in number of tubers per potato bush observed in the treated variants of the Pechorsky variety.
potato, varieties, samples, electromagnetic radiation, productivity
Возможность более полно реализовать генетический потенциал обеспечивают не только погодные условия, но и благоприятный агрофон сельхозугодий, обеспеченный органическими и минеральными удобрениями. Однако длительное применение органических и минеральных удобрений может отразиться на агрофизических свойствах почв, что особенно важно для агроценозов северных и арктических территорий. Поэтому поиск иных факторов, повышающих урожайность сельскохозяйственных культур, является актуальным.
Показано, что воздействие переменного электромагнитного поля на семена растений в период их покоя приводит к существенным изменениям в физиологии семян при прорастании. Как низкочастотное, так и высокочастотное электромагнитные поля способны привести к эффекту биостимуляции семян [1, 2]. Выявлено, что воздействие на семена пшеницы магнитного поля с показателями 12,5 и 25 мТл в течение 6 дней с длительностью воздействия 15 и 30 мин в сутки привело к увеличению содержания воды, хлорофилла и каротиноидов. Установлена зависимость между экспрессией генов и соответствующими параметрами, особенно при магнитной индукции 25 мТл в течение 30 мин, причем изменения наблюдались во всех генах по сравнению с контрольной группой [3]. Анализ транскриптома выявил изменения в количестве транскриптов при воздействии электромагнитного излучения (далее – ЭМИ). Количественная полимеразная цепная реакция в реальном времени подтвердила дерегулирование некоторых процессов метаболизма ДНК. Более глубокими были изменения в размерах пула метаболитов с изменениями в фотосинтетическом и центральном энергетическом метаболизме [4].
В нашей работе мы оценили эффективность технологии дистанционной электромагнитной обработки и повышенного содержания органических удобрений на показатели качества урожая картофеля с разной историей обработки слабыми неионизирующими импульсными полями.
Материалы и методы
Оценку эффективности воздействия на картофель переменных электромагнитных полей (далее – ПЭМП) проводили на экспериментальных площадках Института агробиотехнологий ФИЦ Коми НЦ УрО РАН. Как уже отмечалось нами [5], экспериментальный участок характеризуется высоким уровнем грунтовых вод, ранее его никогда не использовали под сельскохозяйственные посадки и не вносили органические и минеральные удобрения.
По данным ФГБУ САС, опытное поле характеризуется на сентябрь 2023 г. следующими показателями: рНсол=5,5, гидролитическая кислотность – 1,53 Ммоль/100 г, подвижные соединения фосфора – 906,5 млн-1 (мг/кг), подвижные соединения цинка – 9,90, подвижные соединения марганца – 5,12, подвижные соединения калия – 71,7, обменный кальций – 12,00, обменный магний – 6,50, азот щелочногидролизуемый – 151 млн-1 (мг/кг). В октябре 2023 г. на опытное поле было внесено органическое удобрение (120 т/га). По данным ФГБУ САС от 22.05.2024 (протокол № 2), участок имел следующие показатели: рНсол=4,91, гидролитическая кислотность – 5,25 Ммоль/100 г, подвижные соединения цинка – 13,6 млн-1 (мг/кг), подвижные соединения марганца – 26,6, подвижные соединения меди – 3,34, подвижная сера – 7,20, подвижные соединения фосфора – 676,5, подвижные соединения калия – 229,5 млн-1 (мг/кг), органическое вещество – 5,23 %. При сравнении данных показателей видно, что после осеннего внесения органических удобрений в почве увеличилось содержание макро- и микроэлементов, существенно увеличились показатели гидролитической кислотности.
Закладка делянок по оценке влияния ПЭМП картофеля осуществлена согласно общепринятой методике с соблюдением требований к плотности посадки и числу повторностей [6]. Эксперимент был выполнен на однорядковых делянках в четырех повторностях, площадь одной делянки – 5,25 м2.
Клубни картофеля весом 50–80 г (вторая фракция) перед посадкой подвергали электромагнитному воздействию аппаратом «ТОР-био» в режиме 15/5 (15 мин воздействия, 5 мин перерыва в течение 1 ч перед посадкой) с частотой импульса 125 Гц. Показатели периодического магнитного поля на расстоянии 10 см от излучателя аппарата «ТОРбио» не превышали значения 1,5 мкТл с точностью 0,22 мкТл, электрической компоненты излучения – не более значений 214 В/м с точностью 32 В/м, плотность мощности излучения на частоте 2,45 ГГц не превышала 36 мкВт/см2 (ОАО «Концерн "ГРАНИТ"») [7, 8]. Обрабатывались клубни урожая 2023 г. и потомство клубней, обработанных ЭМИ в 2021, 2022 и 2023 гг. Полевые наблюдения за сортами картофеля выполнены по стандартной схеме [9].
Оценка метеорологических условий 2021, 2022, 2023 гг. выполнена на основании данных сайта http://www.pogodaiklimat.ru/ по г. Сыктывкару (рис. 1) и https://pogoda.turtella.ru/russia/syktyvkar/archive?ysclid=m0v231tn15912056606 (рис. 2).
Положительные погодные показатели в мае 2023 г. обеспечили достаточно раннюю посадку картофеля (25.05.2023) в сравнении с 2022 г. (07.06.2022). В июне 2023 г. средняя температура была ниже средней многолетней нормы, количество осадков ниже средней многолетней на 38,2 мм, что отрицательно отразилось на развитии ранней стадии картофеля – период появления всходов оказался растянут. В 2024 г. среднесуточная температура была, наоборот, выше, достаточное количество осадков привело к обильному росту зеленой массы.
Средняя температура воздуха за июль, равно и август, 2023 и 2024 гг. была выше средней многолетней нормы. Однако количество осадков 2024 г. было ниже среднемноголетнего значения и, соответственно, показателя 2023 г.
Как видно из рис. 1 и 2, динамика температур и осадков вегетационых периодов 2023 и 2024 гг. различается. Невысокие температуры в мае 2024 г. обусловили позднюю посадку картофеля. Высокие температуры июня и июля и дефицит осадков сказались на качестве урожая – высокая доля нетоварного картофеля.
Результаты и их обсуждение
Из рис. 3 видно, что динамика всходов сортообразца Печорский после обработки ЭМИ в 2023 г. отличается от динамики всходов сортообразца Печорский Т (обработка 2021–2023 гг.) и сорта Зырянец, обработанных в 2023 г. и 2021–2023 гг. Эффективность однократной обработки была выше по сравнению с многократной (на протяжении 2021–2023 гг.).
Различия в реакции у сортообразца Печорский на однократную и многократную (ежегодную) обработки от сорта Зырянец могут свидетельствовать об отличиях в реакции этих генотипов на воздействие ЭМИ. Такое же предположение можно высказать обсуждая неравные реакции на однократную и многократную обработки сортообразца Печорский – динамика всходов у варианта Печорский Т отличается от динамики всходов у однократно обработанного варианта сортообразца Печорский.
В 2024 г. на опытном поле были высажены клубни, обработанные только в 2024 г., и картофель урожаев от клубней, обработанных в 2021, 2022, 2023 и 2024 гг. (Э, ТЭ), и их контрольные (необработанные варианты, К, ТК). Если рассматривать данные динамики фенологических показателей, то реакция изучаемых сортов и вариантов была сходной с картиной 2023 г. – более ранние всходы у обработанного сортообразца Печорский.
На рис. 4 представлены данные биометрических показателей по фракционному составу (НСР = 0,17) и числу клубней на куст (НСР = 5,4) при учете раннего урожая. Следует отметить, что уже при учете раннего урожая были выявлены отличия в массе картофеля у контрольных вариантов, однако эти отличия обусловлены массой клубней весом более 80 г. Масса клубней менее 40 г и масса клубней второй фракции у семян, обработанных ЭМИ в 2024 г., больше, чем у необработанных. Данное заключение подтверждают результаты по оценке числа клубней на куст – число клубней на куст у обработанных в 2024 г. растений было выше, чем у необработанных. Подводя итог рассмотрению результатов учета раннего урожая, можно отметить, что внесение органических удобрений на участок сказалось на массе клубней, а дополнительная обработка ПЭМП привела к увеличению числа клубней на куст.
Как видно из рис. 5, величина общего урожая контрольных вариантов сортообразца Печорский (Печорский К, Печорский ТК) выше, чем у обработанных вариантов. Превышение показателей общего урожая контрольных вариантов над показателями урожая обработанных вариантов сотообразца Печорский мы склонны объяснять существенным изменением плодородия экспериментального участка после внесения органических удобрений. Что касается сортов Гала, Зырянец, Аврора, мониторинг за которыми осуществлялся в 2021–2024 гг., то их реакция на электромагнитную обработку была незначительна.
Из приведенных данных биометрических показателей общей урожайности видно (таблица), что среднее количество клубней на куст в урожае обработанных клубней фракций существенно больше, чем в урожае от необработанных ЭМИ (НСР=2,14). Превышение показателей общего урожая, полученного от необработанных в 2024 г. клубней, можно объяснить улучшенным плодородием экспериментального участка. Необходимо отметить, что урожайность варианта Печорский ТЭ выше, чем у варианта Печорский Э. В данном случае можно предположить, что эти отличия связаны с изменениями генотипа после обработки ЭМИ.
Известно, что факторы окружающей среды могут приводить к эпигенетическим изменениям, которые отражают адаптацию к новым условиям. При исследовании подсолнечника (Helianthus annuus) было обнаружено, что кратковременное (5–15 мин) воздействие на растения ПЭМП частотой 5,28 МГц является эффективным сигналом окружающей среды, который изменяет содержание почти 100 белков (большинство из них связано с фотосинтезом), лежащих в основе изменений экспрессии генов [10]. Таким образом, можно предположить, что в результате воздействия на клубни картофеля сорта Печорский в течение трех вегетационных периодов и, вероятно, сорта Зырянец неионизирующими импульсными полями могли возникнуть изменения генотипа, реализующиеся в отличиях реакций на дополнительные действия факторов среды.
Завершая рассмотрение результатов, следует отметить, что в условиях Республики Коми сорта местной селекции более чувствительны к воздействию ЭМИ. Получены данные, свидетельствующие о том, что предпосевная обработка клубней влияет на рост и развитие картофеля. Как было показано нами ранее [16], обработка ЭМИ приводит к усиленному образованию клубней, что, без сомнения, должно способствовать повышению общей урожайности при полном, достаточном обеспечении органоминеральными удобрениями, что и было нами обнаружено в эксперименте 2024 г.
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
1. Radhakrishnan, R. Magnetic field regulates plant functions, growth and enhances tolerance against environmental stresses / R. Radhakrishnan // Physiol mol biol plants (September–October 2019) 25(5):1107–1119. – URL: https://doi.org/10.1007/s12298-019-00699-9 (date of access: 24.06.2024).
2. Vliyaniye nizkochastotnogo i vysokochastotnogo elektromagnitnogo polya na semena [Effect of low-frequency and high-frequency electromagnetic field on seeds] / L. G. Kalinin [et al.] // Biofizika [Biophysics]. – Moscow, 2005. – Vol. 50, № 2. – P. 361–366.
3. Erez, Mehmet Emre. Magnetic field effects on the physiologic and molecular pathway of wheat (Triticum turgidum L.) germination and seedling growth / Mehmet Emre Erez, Muhsin Özbek // Acta Physiologiae Plantarum (2024) 46:5. – URL: https://doi.org/10.1007/s11738-023-03631-7) (date of access: 4.06.2024).
4. Schmidtpott, S. M. Scrutinizing the impact of alternating electromagnetic fields on molecular features of the model plant Arabidopsis thaliana / S.M. Schmidtpott, S. Danho, V. Kumar, T. Seidel, W. Schöllhorn [et al.] // Int. J. Environ. Res. Public Health 2022, 19, 5144. – URL: https://doi.org/10.3390/ ijerph19095144 (date of access: 4.06.2024).
5. Bondarchuk, E. V. Primeneniye slabykh impulsnykh elektromagnitnykh poley v rasteniye-vodstve: progress v povyshenii urozhaynosti kartofelya [Application of weak pulsed electromagnetic fields in crop production: progress in increasing potato yields] / E. V. Bondarchuk [et al.] // Kartofel i ovoshchi [Potato and Vegetables]. – 2023. – № 2. – P. 35–40.
6. Dospekhov, B. A. Metodika polevogo opyta (s osnovami statisticheskoy obrabotki rezultatov issledovaniy) [Methodology of field experiment (with basics of statistical processing of research results)] / B. A. Dospekhov. – Moscow : Agropromizdat, 1985. – 351 p.
7. Metodicheskiye polozheniya po provedeniyu otsenki sortov i gibridov kartofelya na ispytatelnykh uchastkakh [Methodological provisions on evaluation of potato varieties and hybrids in test plots]. – FSBIS All-Russian Research Institute of Potato Farming. – Moscow, 2017. – 11 p.
8. Mildažienė. Treatment of common sunflower (Helianthus annuus L) seeds with radio-frequency electromagnetic field and cold plasma induces changes in seed phytohormone balance, seedling development and leaf protein expression / Mildažienė [et al.] // Sci Rep 2019. 9(1):6437. – URL: https://doi.org/10.1038/s41598-019-42893-5 (date of access: 04.06.2024).
