Фізіологія рослин і генетика 2023, том 55, № 4, 326-343, doi: https://doi.org/10.15407/frg2023.04.326

Стан фотосинтетичного апарату i продуктивнiсть озимої пшеницi за обробки комплексними мiкродобривами-бiостимуляторами

Соколовська-Сергiєнко О.Г., Кедрук А.С., Махаринська Н.М., Прядкiна Г.О., Стасик О.О.

  • Iнститут фізіології рослин і генетики Національної академії наук України, 03022 Київ, вул. Васильківська, 31/17

В умовах дрібноділянкового досліду вивчали вплив комплексних мікродобрив-біостимуляторів, створених на основі екстракту водоростей і суміші амінокислот, на стан фотосинтетичного апарату впродовж репродуктивного періоду розвитку, що проходив за наростання дефіциту атмосферних опадів і підвищеної температури повітря, та продуктивність рослин сорту озимої пшениці Малинівка. Позакореневу обробку дослідних рослин розчинами мікродобрив-біостимуляторів «квантум сіамін» (на основі екстракту водоростей) або «квантум аміномакс» (з суміші амінокислот) виробництва ТОВ «НВК Квадрат» проводили двічі: наприкінці фази виходу в трубку і у фазу формування зернівки. Кількість опадів за період від фази цвітіння до воскової стиглості зерна становила 24 мм (33 % кліматичної норми), середньодобова температура досягала 21,3 °C (+1,8 °C до кліматичної норми), що відповідає значенню гідротермічного коефіцієнта Селянінова 0,38 (дуже посушливі умови). Встановлено, що у фазу цвітіння оброблені препаратами рослини незначно відрізнялися від контрольних за показниками потужності розвитку фотосинтетичного апарату та активністю хлоропластних антиоксидантних ферментів супероксиддисмутази (СОД) і аскорбатпероксидази (АПО). Однак у фазу молочно-воскової стиглості рослини дослідних варіантів мали істотно вищі значення листкового і хлорофільного індексів посіву через збереження більшої площі фотоасиміляційної поверхні листків та вмісту фотосинтетичних пігментів, а також нижчу активність СОД і АПО порівняно з контрольними рослинами. Зниження активності ферментів, які беруть участь у псевдоциклічному транспорті електронів на кисень, у поєднанні з кращим збереженням фотосинтетичного апарату листків свідчить про менший ступінь стресу та ефективнішу адаптацію до несприятливих умов у дослідних рослин. Обробка препаратом сіамін підвищувала врожайність у розрахунку на одиницю площі посіву на 15 % (р = 0,045), а препаратом аміномакс — на 11 %, проте у цьому варіанті статистична достовірність ефекту була недостатньо високою (p = 0,08).

Ключові слова: Triticum aestivum L., мікродобрива-біостимулятори, посуха, хлорофіл, листковий індекс, супероксиддисмутаза, аскорбатпероксидаза, продуктивність

Фізіологія рослин і генетика
2023, том 55, № 4, 326-343

Повний текст та додаткові матеріали

У вільному доступі: PDF  

Цитована література

1. FAO, IFAD, UNICEF, WFP & WHO (2020). The state of food security and nutrition in the world 2020. Transforming food systems for affordable healthy diets. Rome: FAO. https://doi.org/10.4060/ca9692en

2. FrЩna, D., Szender«k, J. & Harangi-R«kos, M. (2019). The challenge of feeding the world. Sustainability, 11, 5816. https://doi.org/10.3390/su11205816

3. Morgun, V.V. & Rybalka, O.I. (2017). Strategy of cereals genetic improvement aimed at food safety, health promotion and industry needs. Visn. NAN Ukraine, No. 3, pp. 54-64 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/visn2017.03.054

4. Cheremisina, S.H. (2021). Grain market in Ukraine: analysis of the current state and development prospects. Ekonomika APK, No. 2, pp. 48-58 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.32317/2221-1055.202102048

5. Ivanuta, S.P., Kolomiets, O.O., Malynovska, O.A. & Yakushenko, L.M. (2020). Climate change: consequences and adaptation measures: analyt. report. Kyiv: NISD [in Ukrainian].

6. Zampieri, M., Ceglar, A., Dentener, F. & Toreti, A. (2018). Understanding and reproducing regional diversity of climate impacts on wheat yields: current approaches, challenges and data driven limitations. Environ. Res. Lett., 13, 021001. https://doi.org/10.1088/1748-9326/aaa00d

7. Cohen, I., Zandalinas, S.I., Huck, C.F., Fritschi, B. & Mittler, R. (2021). Meta-analysis of drought and heat stress combination impact on crop yield and yield components. Physiol. Plantar., 171, Iss. 1, pp. 66-76. https://doi.org/10.1111/ppl.13203

8. Senapati, N., Stratonovitch, P., Paul, M.J. & Semenov, M.A. (2019). Drought tolerance during reproductive development is important for increasing wheat yield potential under climate change in Europe. J. Exp. Bot., 70, No. 9, pp. 2549-2560. https://doi.org/10.1093/jxb/ery226

9. Radchenko, M.P., Ponomareva, I.G, Pozynych, I.S. & Morderer Ye.Yu. (2021). Stress and use of herbicides in field crops. Agric. Sci. Pract., 8, No. 3, pp. 50-70. https://doi.org/10.15407/agrisp8.03.050

10. Priadkina, G.O., Makharynska, N.M. & Sokolovska-Sergienko, O.G. (2022). Influence of drought on photosynthetic traits of wheat plants. Fiziol. rast. genet., 54, No. 6, pp. 463-483 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/frg2022.06.463

11. Feller, U. (2016). Drought stress and carbon assimilation in a warming climate: reversible and irreversible impacts. J. Plant Physiol., 203, pp. 84-94. https://doi.org/10.1016/j.jplph.2016.04.002

12. Seleiman, M.F., Al-Suhaibani, N., Ali, N., Akmal, M., Alotaibi, M., Refay, Y., Dindaroglu, T., Abdul-Wajid, H.H. & Battaglia, M.L. (2021). Drought stress impacts on plants and different approaches to alleviate its adverse effects. Plants, 10, 259. https://doi.org/10.3390/plants

13. Dumanoviє, J., Nepovimova, E., Natiє, M., Ku№a, K. & Jaєeviє, V. (2021). The significance of reactive oxygen species and antioxidant defense system in plants: a concise overview. Front. Plant Sci., 11, 552969. https://doi.org/10.3389/fpls.2020.552969

14. Foyer, C.H. (2018). Reactive oxygen species, oxidative signaling and the regulation of photosynthesis. Environ. Exp. Bot., 154, pp. 134-142. https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2018.05.003

15. Kolupaev, Yu.E., Yastreb, T.O., Ryabchun, N.I., Kokorev, A.I., Kolomatska, V.P. & Dmitriev, A.P. (2023). Redox homeostasis of cereals during acclimation to drought. Theor. Exp. Plant Physiol., 35, pp. 133-168 https://doi.org/10.1007/s40626-023-00271-7

16. Rane, J., Singh, A.K., Tiwari, M., Prasad, P.V.V. & Jagadish, S.V.K. (2022). Effective use of water in crop plants in dryland agriculture: implications of reactive oxygen species and antioxidative system. Front. Plant Sci., 12, 778270. https://doi.org/10.3389/fpls.2021.778270

17. Stasik, O.O., Priadkina, G.O., Kiriziy, D.A., Sokolovska-Sergiienko, O.G., Sytnik, C.K., Kapitanska, O.S. & Zborivska, O.V. (2021). Photosynthesis and production process of high-intensity varieties of winter wheat in connection with the conditions of mineral nutrition. Kyiv: Interservis [in Ukrainian].

18. Meddich, A. (2023). Biostimulants for resilient agriculture-improving plant tolerance to abiotic stress: a concise review. Gesunde Pflanzen, 75, pp. 709-727. https://doi.org/10.1007/s10343-022-00784-2

19. Rouphael, Y. & Colla, G. (2020). Toward a sustainable agriculture through plant biostimulants: from experimental data to practical applications. Agronomy, 10, 1461. https://doi.org/10.3390/agronomy10101461

20. Guralchuk, Zh.Z., Trach, V.V. & Grinyuk, S.A. (2011). Efficiency of the use of microfertilizers and prospects of development of their new kinds. Visn. L'viv. nat. agrar. un-tu, 15, No. 2, pp. 98-103 [in Ukrainian].

21. Tripathi, D.K., Singh, S., Singh, S. Mishra, S., Chauhan, D.K. & Dubey, N.K. (2015). Micronutrients and their diverse role in agricultural crops: advances and future prospective. Acta Physiol. Plant., 37, 139. https://doi.org/10.1007/s11738-015-1870-3

22. Tavanti, T.R., Rodrigues de Melo, A.A., Moreira, L.D.K., Sanchez, D.E.J., Silva, R.S., da Silva, R.M. & Rodrigues dos Reis, A. (2021). Micronutrient fertilization enhances ROS scavenging system for alleviation of abiotic stresses in plants. Plant Physiol. Biochem., 160, pp. 386-396. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2021.01.040

23. Dhaliwal, S.S., Sharma, V. & Shukla, A.K. (2022). Impact of micronutrients in mitigation of abiotic stresses in soils and plants-a progressive step toward crop security and nutritional quality. Adv. Agr., 173, pp. 1-78. https://doi.org/10.1016/bs.agron.2022.02.001

24. Sokolovska-Sergiienko, O.G., Priadkina, G.O. & Kapitanska, O.S. (2015). Activity of photosynthetic apparatus and productivity in winter wheat treated by chelated microfertilizer and growth stimulator. Fiziol. rast. genet., 47, No. 4, pp. 321-329 [in Ukrainian].

25. Morgun, V.V., Sanin, Ye.V. & Shwartau, V.V. (2014). 100 centners club. Winter wheat varieties of the Institute of Plant Physiology and Genetics of the National Academy of Sciences of Ukraine and Singenta protection system. Kyiv: Logos [in Ukrainian].

26. Tkachenko, T.G. (2015). Agrometeorology: textbook. Kharkiv: Kharkiv nat. agr. un-t [in Ukrainian].

27. Brѕda, N.J.J. (2003). Ground-based measurements of leaf area index: a review of methods, instruments and current controversies. J. Exp. Bot., 54, pp. 2403-2417. https://doi.org/10.1093/jxb/erg263

28. Wellburn, A.P. (1994). The spectral determination of chlorophyll a and b, as well as caro­tenoids using various solvents with spectrophotometers of different resolution. J. Plant Physiol., 144, No. 3, pp. 307-313. https://doi.org/10.1016/S0176-1617(11)81192-2

29. Morgun, V.V., Stasik, O.O., Kiriziy, D.A. & Sokolovska-Sergiienko, O.G. (2019). Effect of drought on photosynthetic apparatus, activity of antioxidant enzymes, and productivity of modern winter wheat varieties. Regul. Mech. Biosyst., 10, No. 1, pp. 16-25. https://doi.org/10.15421/021903

30. Giannopolitis, C.N. & Ries, S.K. (1977). Superoxide dismutase. Occurrence in higher plants. Plant Physiol., 59, No. 2, pp. 309-314. https://doi.org/10.1104/pp.59.2.309

31. Chen, G.-X. & Asada, K. (1989). Ascorbate peroxidase in tea leaves: occurrence of two isozymes and the differences in their enzymatic and molecular properties. Plant Cell Physiol., 30, No. 7, pp. 987-998.

32. Arnon, D.I. (1949). Copper enzyme in isolated chloroplasts. Polyphenolooxidase in Beta vulgaris. Plant Physiol., 24, No. 1, pp. 1-15. https://doi.org/10.1104/pp.24.1.1

33. Slewinski, T.L. (2012). Non-structural carbohydrate partitioning in grass stems: a target to increase yield stability, stress tolerance, and biofuel production. J. Exp. Bot., 63, No. 13, pp. 4647-4670. https://doi.org/10.1093/jxb/ers124

34. Kiriziy, D.A. & Stasik, O.O. (2022). Effects of drought and high temperature on physiological and biochemical processes, and productivity of plants. Fiziol. rast. genet., 54, No. 2, pp. 95-122 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/frg2022.02.095

35. Yadav, M.R., Choudhary, M., Singh, J., Lal, M.K., Jha, P.K., Udawat, P., Gupta, N.K., Rajput, V.D., Garg, N.K., Maheshwari, C., Hasan, M., Gupta, S., Jatwa, T.K., Kumar, R., Yadav, A.K. & Prasad, P.V.V. (2022). Impacts, tolerance, adaptation, and mitigation of heat stress on wheat under changing climates. Int. J. Mol. Sci., 23, 2838. https://doi.org/10.3390/ijms23052838

36. Tarasiuk, M.V. & Stasik, O.O. (2022). The effect of drought at flowering stage on the dynamics of accumulation and remobilization of reserve water-soluble carbohydrates in stem segments of winter wheat varieties contrasting in drought resistance. Fiziol. rast. genet., 54, No. 5, pp. 429-449 [in Ukrainian]. https://doi.org/10.15407/frg2022.05.429

37. Stasik, O.O., Kiriziy, D.A., Sokolovska-Sergiienko, O.G. & Bondarenko, O.Yu. (2020). Influence of drought on the photosynthetic apparatus activity, senescence rate, and productivity in wheat plants. Fiziol. rast. genet., 52, No. 5, pp. 371-387. https://doi.org/10.15407/frg2020.05.371

38. Bhupenchandra, I., Chongtham, S.K., Devi, E.L., Choudhary, A.K., Salam, M.D., Sahoo, M.R., Bhutia, T.L., Devi, S.H., Thounaojam, A.S., Behera, C., Kumar, A., Dasgupta, M., Devi, Y.P., Singh, D., Bhagowati, S., Devi, C.P., Singh, H.R. & Khaba, C.I. (2022). Role of biostimulants in mitigating the effects of climate change on crop performance. Front. Plant Sci., 13, 967665. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.967665

39. Deolu-Ajayi, A.O., Meer, I.M., Werf, A. & Karlova, R. (2022). The power of seaweeds as plant biostimulants to boost crop production under abiotic stress. Plant, Cell & Environ., 45, pp. 2537-2553. https://doi.org/10.1111/pce.14391

40. GoФi, O., Quille, P. & OўConnell, S. (2018). Ascophyllum nodosum extract biostimulants and their role in enhancing tolerance to drought stress in tomato plants. Plant Physiol. Biochem., 126, pp. 63-73. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2018.02.024

41. Santaniello, A., Scartazza, A., Gresta, F., Loreti, E., Biasone, A., Di Tommaso, D., Piaggesi, A. & Perata, P. (2017). Ascophyllum nodosum seaweed extract alleviates drought stress in Arabidopsis by affecting photosynthetic performance and related gene expression. Front. Plant Sci., 8, 1362. https://doi.org/10.3389/fpls.2017.01362

42. Sharma, S., Chen, C., Khatri, K., Rathore, M.S. & Pandey, S.P. (2019). Gracilaria dura extract confers drought tolerance in wheat by modulating abscisic acid homeostasis. Plant Physiol. Biochem., 136, pp. 143-154. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2019.01.015

43. Shukla, P.S., Shotton, K., Norman, E., Neily, W., Critchley, A.T. & Prithiviraj, B. (2018). Seaweed extract improve drought tolerance of soybean by regulating stress-response genes. AoB PLANTS, 10, plx051. https://doi.org/10.1093/aobpla/plx051

44. Moreno-Hern«ndez, J.M., BenHtez-GarcHa, I., Mazorra-Manzano, M.A., RamHrez-Su«rez, J.C. & S«nchez, E. (2020). Strategies for production, characterization and application of protein-based biostimulants in agriculture: a review. Chilean J. Agr. Res., 80,    2, pp. 274-289. https://doi.org/10.4067/S0718-58392020000200274

45. Hasanuzzaman, M., Parvin, K., Bardhan, K., Nahar, K., Anee, T.I., Masud, A.A.C. & Fotopoulos, V. (2021). Biostimulants for the regulation of reactive oxygen species metabolism in plants under abiotic stress. Cells, 10, 2537. https://doi.org/10.3390/cells10102537

46. Mamatha, B.C., Rudresh, K., Karthikeyan, N., Kumar, M., Das, R., Taware, P.B., Khapte, P.S., Soren, K.R., Rane, J. & Gurumurthy, S. (2023). Vegetal protein hydrolysates reduce the yield losses in off-season crops under combined heat and drought stress. Physiol. Mol. Biol. Plants, No. 29, pp. 1049-1059. https://doi.org/10.1007/s12298-023-01334-4

47. Shen, J., Guo, M., Wang, Y., Yuan, X., Wen, Y., Song, X., Dong, S. & Guo, P. (2020). Humic acid improves the physiological and photosynthetic characteristics of millet seedlings under drought stress. Plant Signal. Behav., 15, 1774212. https://doi.org/10.1080/15592324.2020.1774212