Среди видов, которые можно использовать для получения растительных экстрактов с биоактивными свойствами и повышения пользы для сельскохозяйственных культур, ряска вызывает все больший интерес у ученых для производства биостимуляторов. Биостимуляторы могут использоваться как для овощных, так и для зерновых культур, и на сегодняшний день исследования все чаще сосредотачиваются на новых биостимуляторах, полученных из растений, таких как простые экстракты. Фактически, в тех случаях, когда они богаты биологически активными соединениями, они могут эффективно способствовать росту и улучшению характеристик сельскохозяйственных культур, к которым они применяются. Более того, если эти биостимуляторы можно будет получить из непищевых и инвазивных видов растений, это решение станет актуальным, дешевым и разумным и будет соответствовать основным концепциям экономики замкнутого цикла.
Портал AgroXXI.ru ознакомился со статьей итальянских исследователей (Дарио Приоло, Чиро Толисано, Моника Бриенца и Даниэле Дель Буоно), в которой авторы подчеркивают роль ряски в производстве новых биостимуляторов для устойчивого земледелия.
…Одной из самых больших проблем, с которыми столкнется сельское хозяйство в ближайшие годы, является растущий спрос на продовольствие, поскольку к 2050 году население мира может достичь 9,7 миллиардов человек.
Кроме того, деятельность человека ставит под угрозу качество природных ресурсов, сокращая, например, площади, отведенные под выращивание сельскохозяйственных культур, а ситуация еще больше усугубляется изменением климата.
В этом контексте следует также учитывать, что сельскохозяйственные системы, основанные на широком использовании синтетических химикатов, вносимых в сельскохозяйственные культуры для повышения урожайности, приводят к загрязнению окружающей среды и деградации первичных ресурсов, таких как почва и пресная вода.
Таким образом, в логике экономики замкнутого цикла существует острая необходимость в инновационных и устойчивых биорешениях для смягчения воздействия систем земледелия. Действительно, это видение направлено на более эффективное использование биологических ресурсов, полученных как из агропромышленных отходов, так и ранее неиспользуемых природных ресурсах и применять в сельском хозяйстве для улучшения урожайности.
Польза растительных биостимуляторов для сельхозкультур
Как известно, биостимуляторы — это природные вещества, которые могут стимулировать прорастание семян, влиять на питание растений, улучшать поглощение и использование воды, влиять на рост растений и производство биомассы, а также улучшать первичный и вторичный обмен веществ. Более того, эти материалы могут сделать сельскохозяйственные культуры более устойчивыми к биотическим и абиотическим стрессорам окружающей среды.
По происхождению биостимуляторы подразделяют на микробные и немикробные.
Немикробные биостимуляторы могут быть получены из экстрактов растений (растений и водорослей), белковых гидролизатов (как растительного, так и животного происхождения), фульво- и гуминовых веществ, а также неорганических (солей) и органических соединений (хитозана).
В настоящее время все больше внимания уделяется поиску новых растительных экстрактов, богатых биоактивными молекулами, которые можно использовать в качестве биостимуляторов и использовать в сельском хозяйстве.
В частности, растительные экстракты могут содержать заметное содержание биологически активных соединений, таких как фенолы, аминокислоты, небольшие пептиды, микро- и макроэлементы и множество других компонентов, которые могут стимулировать метаболизм сельскохозяйственных культур и производство биомассы, а также улучшать качество конечного продукта.
Эти положительные эффекты могут быть связаны со способностью биостимуляторов запускать некоторые важные физиологические, морфологические и биохимические процессы, такие как фотосинтез и метаболизм. Кроме того, в растительных экстрактах были идентифицированы специфические молекулы с сигнальной или гормональной активностью, которые отвечают за увеличение производства растительной биомассы, взаимодействие с белками для регулирования генов, а также синтеза аминокислот и метаболитов.
Например, хорошо известно, что применение белковых гидролизатов к растениям может определять многие стимулирующие растения эффекты, поскольку они содержат пептиды и аминокислоты, которые могут действовать как сигнальные молекулы.
Среди видов, которые можно использовать для получения растительных экстрактов с биоактивными свойствами и повышения пользы для сельскохозяйственных культур, ряска вызывает все больший интерес.
Ряска как сырье для биостимуляторов
Этот вид представляет собой небольшое свободно плавающее водное растение, принадлежащее к семейству Lemnaceae, которое в природе встречается во всем мире в экосистемах водно-болотных угодий, таких как лагуны, болота и пруды, а также в арыках.
Ряска считается инвазивной из-за ее быстрой скорости роста и высокой способности адаптироваться к различным климатическим условиям (температура в диапазоне 5–35 °C) и неблагоприятной водной среде (уровень pH от 3,5 до 10,5).
Ряска может переносить и выдерживать высокие концентрации токсичных соединений, и эта устойчивость делает ее подходящим видом для исследований фиторемедиации и экотоксичности.
Действительно, ряску успешно использовали в целях фиторемедиации, таких как очистка сточных вод, поскольку этот вид может удалять и биоаккумулировать загрязняющие вещества, начиная от органических соединений и заканчивая микроэлементами металлов.
Недавние исследования показали, что ряска производит множество вторичных метаболитов с биологически активными свойствами, особенно глюкозинолаты и фенолы.
Метаболомические исследования, проведенные авторами этого исследования, показали, что это водное растение обладает широким спектром биологически активных веществ.
Среди них следует упомянуть соединения, включающие фенолы, глюкозинолаты, флавоноиды и вещества с антиоксидантными свойствами и защитным действием, поскольку они коррелируют с биостимулирующими свойствами.
Например, глюкозинолаты, широко изученные на других видах, таких как Brassicaceae, могут оказывать защитное действие на растения от физических повреждений, таких как раны, повреждения, вызванные атаками вредителей и даже абиотическими стрессорами (высокие температуры, соленость и ультрафиолет).
Было высказано предположение, что эти соединения могут действовать как сигнальные молекулы, способные активировать защитные системы растений.
Фенолы и их экзогенное применение продемонстрировали широкий спектр преимуществ для обработанных растений благодаря их участию в регулировании и стимулировании различных физиологических процессов. К ним относятся регуляция роста, фотосинтез, индукция синтеза пигментов и смягчение окислительного стресса. Эти биоактивные вещества могут играть решающую роль в адаптации к сложным условиям окружающей среды, и было продемонстрировано, что их применение к сельскохозяйственным культурам может помочь растениям справиться с абиотическими стрессами.
Несмотря на интересные свойства ряски и ее богатство биологически активными соединениями, лишь немногие исследования изучали ее биостимулирующий потенциал на сельскохозяйственных культурах, за исключением некоторых недавних исследований на оливковых культурах и кукурузе.
Что касается овощных культур, то в литературе нет никаких упоминаний о биостимулирующем влиянии ряски на эти культуры. Чтобы восполнить пробел, настоящая работа была направлена на оценку воздействия водного экстракта ряски малой Lemna minor L., самого распространенного вида в водоемах, на томаты.
В частности, экстракт LE применяли методом внекорневого опрыскивания томата, который был выбран потому, что эта культура является одной из наиболее важных и распространенных во всем мире. Затем на растениях томата, обработанных LE, исследованы фотосинтетический механизм и конкретные аспекты, такие как функциональность фотосистемы, развитие воздушной и корневой биомассы, содержание пигментов и некоторые основные классы антиоксидантов. Все это предпринято для того, чтобы выяснить какое-либо благотворное влияние экстракта на рассматриваемую овощную культуру.
Ряску выращивали в ростовой камере в полиэтиленовых лотках (35×28×14 см) при температуре 24 ± 2 °C, фотопериоде 8 часов света и 16 часов темноты, обновляя питательную среду каждые две недели.
Для экспериментов на растениях томата были выбраны три различные концентрации LE: LE 0,1, 0,5 и 1,0% (сухой вес/объем воды – вес/об). Для этого 20 г свежего растительного материала тщательно промывали водой и сушили при 40°С в течение 72 часов. Затем 1 г сухой биомассы смешивали со 100 мл деионизированной воды (значение рН = 7,00), экстрагировали в ступке с пестиком в течение 5 мин в присутствии небольшого количества кварцевого песка и оставляли на ночь в орбитальном шейкере ( 100 об/мин) при 23°С для завершения экстракции. Наконец, суспензию фильтровали через фильтровальную бумагу и доводили до конечного объема 100 мл деионизированной водой. Это позволило получить максимально концентрированный экстракт LE (LE 1,0%). Этот экстракт соответствующим образом разбавляли деионизированной водой для получения двух других растворов, обозначенных как LE 0,5 и 0,1%. Эти три концентрации были выбраны, поскольку предыдущие исследования показали, что они способны вызывать биостимулирующие эффекты на сельскохозяйственные культуры. И наоборот, LE может быть фитотоксичным при более высоких концентрациях (2 и 8%) или терять активность при более низких.
После определения фитохимического профиля экстракта, результаты показали значительное содержание биологически активных веществ, таких как фенолы и глюкозинолаты.
Также флавоноиды и фенольные кислоты были обнаружены в значительных количествах и близких концентрациях. Наиболее распространенными флавоноидами были кемпферол и кверцетин и их глюкозиды, за которыми следовал мирицетин. Кроме того, гесперидин был наиболее распространенным флавоном, тогда как кофейная кислота была наиболее распространенной из фенольных кислот.
Кроме того, были обнаружены следующие низкомолекулярные фенолы и фитогормоны (ауксины, цитокинины, гиббереллины, метаболиты жасмоната и брассиностероиды).
Метаболомный профиль также выявил наличие аминокислот, фенилпропаноидов и алкалоидов. Широко были представлены изопреноиды, включая тритерпеноиды, сесквитерпены и терпеновые гормоны (гиббереллины и их предшественники, производные абсцизовой кислоты и брассиностероиды). Наконец, были идентифицированы соединения, связанные с антиоксидантами и ответной реакцией растений на стресс (аскорбаты и глутатион).
Опыты проведены на растениях томата сорта Рио-Гранде — сорт, широко культивируемый в Италии, дающий крупные помидоры грушевидной формы, пригодные, например, для переработки с целью получения очищенных томатов и консервирования. Семена высеивали непосредственно в пластиковые горшки, содержащие коммерческий торф, и выращивали саженцы в ростовой камере.
Листья всходов томата опрыскивали домашним опрыскивателем через 4 (фаза третьего настоящего листа) и 5 недель после посева. Применяли 2,5 мл на растение воды (контроль) или LE 0,1, 0,5 или 1,0%, в зависимости от экспериментальной группы. Для каждой обработки проводили 5 повторов в соответствии с полностью рандомизированной экспериментальной схемой. Шестинедельные растения собирали для физиологических, морфологических и биохимических определений.
Результаты
Экстракт ряски активировал многогранные аспекты обработанных растений с особенно выраженным и зарегистрированными эффектами усиления фотосинтеза и производства биомассы, как в нормальных, так и в условиях биотического и абиотического стресса.
Биоактивные соединения ряски смогли улучшить развитие растений за счет оптимизации конкретных аспектов фотосинтетического механизма, повышения его эффективности в захвате света и модуляции переноса электронов и протонов в хлоропластах.
Также отмечено, что доза LE 0,5% увеличила концентрацию флавоноидов. Это актуально, поскольку данные молекулы играют молекулярную регуляторную роль в клетке и участвуют в защитном ответе на биотические и абиотические стрессы, а также в акклиматизации растений.
Кроме того, растет интерес к увеличению содержания этих биомолекул в сельскохозяйственных культурах, учитывая их защитное действие на здоровье человека. Флавоноиды могут оказывать множество преимуществ, поскольку они могут проявлять антиоксидантные, противовоспалительные, противораковые и противовирусные свойства, а также нейропротекторное и кардиопротекторное действие.
Результаты показали, что все концентрации LE способствовали существенному улучшению обработанных образцов томатов, но 0,5% производит наилучший эффект воздействия на урожай.
Это исследование продемонстрировало, как можно использовать такие природные ресурсы, как ряска, с удобным применением в сельском хозяйстве для повышения продуктивности систем земледелия, делая их более устойчивыми. Тем не менее, исследования, проводимые в лабораторных масштабах, обязательно должны сопровождаться полевым испытаниями, которые запланированы в дальнейшем.
По статье группы авторов (Дарио Приоло, Чиро Толисано, Моника Бриенца и Даниэле Дель Буоно), опубликованной в журнале Agriculture 2024 на портале www.mdpi.com.
Заглавное фото: Лукьянов Дмитрий, AgroXXI.ru.
Интересна тема? Подпишитесь на наши новости в ДЗЕН | Канал в Telegram | Группа Вконтакте | Дзен.новости.