Механизм ингибирования интактных семян яровой пшеницы, индуцированный хранением с травмированными и поврежденными зерновками
Базовой основой формирования высокоурожайных посевов зерновых культур, отличающихся повышенной устойчивостью на ранних этапах онтогенеза к неблагоприятным погодным условиям, является использование неповрежденных, физиологически зрелых с повышенными посевными качествами и урожайными свойствами семян высоких репродукций. Как ранее применяемая, так и современная механизированная уборка урожая зерновых культур, последующие технологические операции по очистке, сортировке, погрузке и транспортировке зерновой массы и доведению сушкой до кондиционной влажности не лишены недостатков и неизбежно сопровождаются механическими повреждениями (травмами) плодовых оболочек, эндосперма и зародыша более чем у половины зерновок.
Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что в практике производства зерна разных климатических зон травмирование семян относится к числу наиболее широко распространенных видов повреждения семенного материала.
Травмирование сопровождается ухудшением у семян хозяйственно ценных показателей: они становятся менее стойкими при хранении, у них снижаются масса проростков и посевные качества, особенно полевая всхожесть и урожайность.
Важная роль отводится обеспечению устойчивого хранения зерновой массы в регулируемой газовой среде. Кроме того, детальными исследованиями физиологических особенностей семян растений установлено, что на воздействие абиотических стресс-факторов семена как целостный саморегулирующий организм отвечают адаптационно-защитными реакциями с выделением летучих физиологически активных метаболитов, в которых идентифицирован фитогормон этилен, обладающий способностью дистанционно модифицировать качество интактных семян.
Вышеизложенный экспериментальный материал позволяет дополнить сложившуюся биологическую парадигму семян растений ранее малоизвестными научными знаниями о их физиологических свойствах и дает основание сформулировать рабочую гипотезу, согласно которой механизм угнетения прорастания семян и снижения всхожести в партиях зерновых культур обусловлен наличием в них травмированных и поврежденных зерновок. Ключевую роль триггера в реализации физиологической программы угнетения семян выполняют летучие физиологические активные метаболиты (ЛФАМ), выделяемые при хранении поврежденными и травмированными семенами.
Цель работы заключается в экспериментальном доказательстве механизма ингибирующего воздействия травмированными и поврежденными зерновками неповрежденных (интактных) семян зерновых культур, а также в теоретическом обосновании эффективных методов пролонгации кондиционной всхожести семян страховых и переходящих фондов, формирование и уборка урожая которых проходили при неблагоприятных метеорологических условиях.
Материалы и методы исследования
Исследования проводили с 2020 по 2024 г. на трех партиях семян яровой пшеницы Triticum aestivum L. сорта Агата, отвечающих требованиям ГОСТ Р 52325-2005. Лабораторные опыты включали использование семян, выращенных в полевых условиях в соответствии с зональными особенностями выращивания зерновых культур, адаптированных для центральных районов Нечерноземной зоны, и отражали последовательное выполнение следующих процессов:
1. Подготовку образцов семян-индукторов* и семян-детекторов**.
2. Последующее дистанционное хранение семян-индукторов с семенами-детекторами продолжительностью от 1 до 24 месяцев.
3. Мониторинг комплексной оценки влияния семян-индукторов на семена-детекторы в зависимости от условий их совместного хранения.
Подготовка образцов семян-индукторов (СИ) основывалась на уборке урожая при разных погодных условиях в диапазоне от стандартных до экстремальных и технологических операций послеуборочной доработки и подготовки зерновой массы к хранению (транспортировке, очистке, сортировке, сушке). В опыте СИ были представлены вариантами:
• вариант № 1 — семена-индукторы (стандарт) (ССИ). Семена с влажностью 14,5–6,0% убирали комбайном ACROS 595 Plus (ГК «Ростсельмаш», Россия) при оптимальных погодных условиях с низкой влажностью воздуха, своевременным выполнением всего комплекса послеуборочной подготовки семенного материала к хранению, в котором содержались от 29 до 43% зерновок с микроповреждениями и отсутствовали зерновки с макротравмами;
• вариант № 2 — семена-индукторы травмированные (СТИ). Уборку урожая данных семян проводили при погодных условиях с повышенной влажностью воздуха и зерна, жестком режиме обмолота растений с отклонением от рекомендованных технологических операций послеуборочной доработки и сушки 40 ± 5 °С перед закладкой на хранение. Количество семян с микроповреждениями составляло 63–71%, содержание в них зерновок с макротравмами — от 8 до 11%;
вариант № 3 — семена-индукторы поврежденные (СПИ). В данном варианте семена варианта № 1 дополнительно инкубировали в термостате при положительной температуре 45 ± 5 °С и 75% относительной влажности воздуха в течение 3–5 сут. ( по методу ускоренного старения), когда у семян всхожесть снижалась более чем на 15%, то есть моделировали экстремальные условия уборки урожая и послеуборочной доработки семенного материала.
Роль семян-детекторов (СД) выполняли семена яровой пшеницы, полученные ручным вышелушиванием зерновок из колоса. Данные семена одновременно являлись контролем с той лишь разницей, что их хранили отдельно от семян всех других вариантов опыта.
Для предупреждения смешивания СИ с СД их хранили в раздельных пакетах из тканых материалов.
Опыты проводили в соответствии со схемой:
1. Контроль — интактные семена (отдельное хранение).
2. СД + ССИ.
3. СД + СТИ.
4. СД + СПИ.
Дополняли ее различными режимами воздухообмена между СД и СИ: а) пассивным воздухообменом, б) активной аэрацией за счет приточно-вытяжной вентиляцией, в) контейнерным хранением в общем объеме воздушной среды (гипоксия), г) контейнерным изолированным хранением (воздухонепроницаемые полисинтетические материалы).
Семена СД хранили дистанционно с семенами СИ на расстоянии друг от друга 5,0 ± 0,5 см в течение 24 месяцев.
Соотношение по массе между семенами СД и СИ составляло от 1:1 до 3–5:1, по абсолютной массе образцов — от 1 до 3 кг, влажность — 12,5–14% (в лабораторных условиях), в диапазоне положительных температур 18–21 °С с относительной влажностью воздуха 55–65%, были защищены от фотоактивации прямым светом.
Критерием оценки влияния семян СИ на СД являлись динамика прорастания семян, морфофизиологические показатели проростков, энергия прорастания и лабораторная всхожесть семян.
Прорастание семян регистрировали по разрыву целостности, первичным корешком, плодовой оболочки зерновок, морфофизиологические показатели по параметрам длины ростка и наибольшего первичного корешка у 3-суточных проростков — методом проращивания в рулонах из фильтровальной бумаги по 25 шт. 4-кратной повторности. Энергию прорастания и лабораторную всхожесть — по ГОСТ 12038-84. Наличие микроповреждений у семян определяли методом окрашивания зерновок красителями с последующим использованием лупы с 10-кратным увеличением.
Методом газовой хроматографии с использованием хроматографа марки «Кристалл-2000М» (ЗАО СКБ «Хроматэк», Россия) определяли концентрацию этилена в продуцируемых СИ летучих физиологически активных метаболитов.
Статистическую обработку исследуемых морфометрических показателей проростков семян оценивали по критерию Стьюдента. Различия считали статистически значимыми при р ≤ 0,05.
Результаты представлены в виде среднего значения и стандартной ошибки среднего.
Результаты и обсуждение
В результате исследований обнаружена способность травмированных и поврежденных семян-индукторов яровой пшеницы дистанционно (бесконтактно, на расстоянии) при пассивном воздухообмене изменять интенсивность прорастания (наклева) у семян-детекторов по отношению к контролю (табл. 1).
Динамика прорастания семян при хранении сопровождалась слабовыраженной стимуляцией у семян-детекторов, хранившихся с поврежденными семенами-индукторами, к 3 мес. хранения, на 1-е сут. проращивания, которая на 12 и 24 мес. хранения сменялась существенным снижением интенсивности прорастания к контролю, соответственно, на 7,8–13,1% и 18,2–22,2%. В варианте с семенами-детекторами, хранившимися с травмированными семенами-индукторами, только к 24 мес. хранения интенсивность прорастания была значимо ниже контроля на 5,6–10,7%.
У семян-детекторов, хранившихся с семенами-индукторами (стандарт), наблюдалась только устойчивая тенденция снижения интенсивности прорастания в момент завершения совместного хранения — 24 мес.
Хранение семян до 18 мес. в режиме активной аэрации не выявило угнетающего воздействия СИ на СД, за исключением снижения интенсивности прорастания семян в 1-е сутки на 6,0% и 8,8% в вариантах семена-детекторы, хранившиеся с травмированными семенами-индукторами, и семена-детекторы, хранившиеся с поврежденными семенами-индукторами 24 мес.
Наличие свободного воздухообмена создает условия для образования семенами-индукторами летучих физиологически активных метаболитов и обусловливает их влияние на семена-детекторы. Но при активной аэрации образующиеся летучие соединения непрерывно элиминируют (вымываются) из межзерновой воздушной среды, минимизируя влияние семян-индукторов на семена-детекторы.
Режим контейнерного хранения семян-индукторов и семян-детекторов включал максимальное заполнение всего объема контейнера семенным материалом. Данные условия исключали воздухообмен семенного материала с кислородом атмосферного воздуха, то есть обеспечивали формирование условий, близких к гипоксии, способствуя повышению устойчивости семян-детекторов на воздействие семян-индукторов. За 24 мес. хранения ни в одном из опытных вариантов не выявлено значимого снижения интенсивности прорастания семян к контролю.
Согласно рабочей гипотезе, ингибирующее влияние семян-индукторов на семена-детекторы оказывали летучие физиологически активные метаболиты, содержащие этилен, который выделяли травмированные и поврежденные зерновки в ответ на стресс-факторы. Гипоксия в межзерновой воздушной среде подавляла образование кислородозависимого этилена, концентрация которого была предположительно ниже порога чувствительности семян-детекторов.
Изолированное контейнерное хранение полностью исключало влияние семян-индукторов на изменение интенсивности прорастания семян-детекторов.
Интенсивность роста проростков семян на этапе гетеротрофного питания коррелирует с активностью метаболических процессов, а также регуляторных ферментативных и гормональных систем, что лежит в основе оценки физиологического состояния семян.
При пассивном воздухообмене между семенами-детекторами и семенами-индукторами к 3 мес. хранения все морфофизиологические показатели проростков семян-детекторов, хранившихся с травмированными и поврежденными семенами-индукторами, превышали контроль по массе, длине ростка, наибольшего первичного корешка, соответственно, на 13,5%; 13,7%; 9,3% и 18,3%; 15,8%; 10,3%(табл. 2).
К 6 месяцам хранения различия с контролем в этих вариантах нивелировались. С увеличением продолжительности хранения до 12 мес. стимуляция роста проростков сменялась их угнетением с последующим его нарастанием к 24 мес. хранения (во всех вариантах опыта). Наиболее сильное угнетение наблюдалось у проростков семян-детекторов, хранившихся с поврежденными семенами-индукторами, от уровня контроля и составляло, соответственно, 62,1%; 56,0%; 57,7%.
Менее выраженное угнетение морфофизиологических показателей было у семян в варианте семена-детекторы, совместно хранившихся с семенами-индукторами (стандарт), и составило, соответственно, 83,7%; 77,8%; 87,9% по отношению к контролю. Степень подавления роста проростков в варианте семена-детекторы, совместно хранившихся с травмированными семенами-индукторами, была средней между опытными вариантами.
При активной аэрации между семенами-индукторами и семенами-детекторами значимое ингибирование морфофизиологических показателей проростков было установлено только в вариантах семена-детекторы, совместно хранившихся с травмированными и поврежденными семенами, к 24 мес. хранения. Морфологические параметры у первых и вторых варьировали от 73,1–84,9% и 70,4–82,2% относительно уровня контроля.
У проростков семян-детекторов, совместно хранившихся с семенами-индукторами (стандарт), подавление длины роста и первичного корешка было менее выраженным, что обусловлено отсутствием в данном варианте зерновок с макроповреждениями, и, соответственно, выделение этилена зерновками было близким к уровню контроля.
Ослабление депрессивного воздействия семян индукторов на рост проростков семян-детекторов предположительно объясняется снижением концентрации в ЛФАМ этилена за счет активного воздухообмена. Но с увеличением продолжительности хранения семян хроническое суммирующее воздействие даже следовых значений ЛФАМ ведет к изменению функциональной активности семян-детекторов.
Совместное контейнерное хранение семян-индукторов и семян-детекторов при отсутствии воздухообмена не оказало значимого влияния на изменение интенсивности линейного роста органов проростка и их массы.
Воздействие СИ на СД в режиме пассивного воздухообмена не ограничивается только угнетением активности прорастания семян и роста проростков, но сопровождалось ухудшением их посевных качеств (табл. 3).
Значимое снижение энергии прорастания семян происходило в варианте семена-детекторы, совместно хранившихся с поврежденными семенами-индукторами, уже через 6 мес. хранения к 12 мес. существенно уменьшилась лабораторная всхожесть, через 24 мес. эти показатели были ниже контроля, соответственно, на 25,7% и 12,7%.
Угнетение семян в варианте семена-детекторы, совместно хранившихся с травмированными семенами-индукторами, отмечалось к 18 мес. хранения, где энергия прорастания ниже контроля на 4,7%. После 24 мес. энергия прорастания и лабораторная всхожесть уменьшились, соответственно, на 7,1% и 4,2%. Между тем непродолжительное хранение семян в течение 1–3 мес. в варианте семена-детекторы, совместно хранившихся с поврежденными семенами-индукторами, сопровождалось повышением энергии прорастания, что обусловлено кратковременной экспозицией семян в ЛФАМ.
С увеличением продолжительности хранения слабая стимуляция сменялась снижением посевных качеств семян. Во всех других режимах хранения семян яровой пшеницы не установлено статистически значимого влияния СИ на изменение посевных качеств СД.
Хроматографическим анализом выявлено увеличение содержания этилена в межзерновой воздушной среде при пассивном воздухообмене между семенами вариантов семена-детекторы, совместно хранившимися с поврежденными и травмированными семенами-индукторами, в 3,5 и 5,7 раза по сравнению с контролем, где его концентрация варьировала от 0,0027 до 0,0033 мг/м3.
В условиях активной аэрации между семенами концентрация этилена во всех опытных вариантах была на уровне контроля, что обусловлено активным элиминированием (вымыванием) летучих соединений.
Выводы
При хранении травмированные и поврежденные семена выделяли следовые концентрация этилена с последующей его диффузией как газообразного соединения в межзерновую воздушную среду всей совокупности объема интактных семян.
С нарастанием продолжительности хранения и концентрации эндогенного этилена, выделяемого поврежденными зерновками, он воздействовал как экзогенный регулятор роста в диапазоне от слабовыраженной стимуляции, сменяющийся сильно выраженным угнетением интактных семян.
Активная аэрация вызывала элиминирование образующихся летучих физиологически активных соединений и снижала концентрацию этилена в межзерновой воздушной среде, минимизируя развитие ингибиторных процессов у интактных семян.
Совместное контейнерное хранение семян в общем объеме воздушной среды при отсутствии воздухообмена и дефицита кислорода не вызывало угнетения интактных семян, что предположительно обусловлено протекторной способностью гипоксии подавлять стрессовые реакции у травмированных и поврежденных семян.
Общим ответом всех семян-индукторов, находившихся в состоянии стресса, являлось нарастание их угнетающего воздействия на семена-детекторы с увеличением продолжительности их совместного хранения, силы стресса и свободного воздухообмена между ними.
Эффект стрессозащиты и пролонгации кондиционной всхожести у интактных семян яровой пшеницы при хранении до 24 мес. достигался за счет максимального заполнения объема воздухонепроницаемого контейнера семенным материалом и формированием в межзерновой воздушной среде гипоксии, блокирующей выделение этилена.
Об авторах
Виктор Иванович Левин, доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры селекции, семеноводства и агрохимии
levin-49@bk.ru https://orcid.org/0000-0002-9587-0556
Александр Сергеевич Ступин, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры селекции, семеноводства и агрохимии
stupin32@yandex.ru https://orcid.org/0000-0003-0548-6313
Рязанский государственный агротехнологический университет им. П.А. Костычева, ул. Костычева, 1, Рязань, 390044, Россия
УДК631.53.01+633.11+632.03
DOI: 10.32634/0869-8155-2025-393-04-121-128
