Российские ученые нашли способ повысить урожайность пшеницы более чем на 30% без дополнительной химической обработки. Предпосевное облучение семян низкими дозами электронного и рентгеновского излучения увеличивает сбор зерна и помогает противостоять грибковым заболеваниям.
Специалисты НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ, физического и химического факультетов университета, совместно с Сибирским федеральным научным центром агробиотехнологий РАН изучили, как предпосевная обработка семян электронами и рентгеновским излучением влияет на развитие растений.
Работа объединила лабораторные эксперименты, двухлетние полевые испытания и компьютерное моделирование.
Физические методы обработки семенного материала, включая ионизирующее излучение, рассматриваются как один из экологически щадящих способов стимуляции роста культур и их защиты от болезней, рассказали ученые.
— Мы видим, что при корректном подборе дозы и типа излучения можно повышать жизнеспособность семени и запускать адаптационные механизмы растения. Для аграрной отрасли это особенно важно, поскольку такие технологии потенциально позволяют повышать урожайность и устойчивость культур к заболеваниям при снижении химической нагрузки на почву и растения, — отметила заведующая лабораторией радиационной обработки биообъектов и материалов отдела ядерно-физических методов в медицине и промышленности НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова, старший преподаватель физического факультета МГУ Ульяна Близнюк.
Объектом исследования стала пшеница сорта «Новосибирская 29», семена которой обрабатывали ускоренными электронами с энергией 1 МэВ и рентгеновским излучением с энергией 80 кэВ (килоэлектронвольт — единица измерения кинетической энергии частиц).
— Полевой эксперимент показал, что эффект предпосевной обработки нельзя рассматривать отдельно от среды. Обработка в одной и той же дозе может проявиться по-разному в зависимости от осадков, температуры и фитопатогенной нагрузки из почвы. Поэтому для внедрения технологии в практику важно учитывать не только физические параметры облучения, но и агроклиматический контекст, — подчеркнула доцент физического факультета МГУ Полина Борщеговская.
Наиболее перспективным для предпосевной обработки пшеницы оказался диапазон доз 5–15 Гр (грей).
— При поиске оптимального диапазона доз мы опирались на экспериментальные данные по урожайности и пораженности растений септориозом после радиационной обработки семян ускоренными электронами и рентгеновским излучением. Уже в первый год полевых испытаний оба источника излучения позволили повысить урожайность на 22–48%. Во второй год наиболее устойчивый положительный эффект продемонстрировало рентгеновское излучение: прирост урожайности составил 9–33%, — добавила младший научный сотрудник отдела ядерно-физических методов в медицине и промышленности НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ Виктория Ипатова.
Особенность работы заключалась в том, что ученые не ограничились сравнением показателей урожайности. С помощью компьютерного моделирования они рассчитали, как поглощенная доза излучения и энергия распределяются внутри семени.
Отдельное внимание исследователи уделили активным формам кислорода, которые образуются при воздействии излучения на воду в тканях семени. В больших дозах они могут повреждать клетки, однако в небольших, наоборот, запускают защитные и адаптационные механизмы. Эти соединения активируют антиоксидантную систему, помогают перестраивать обмен веществ и регулируют рост растений, отметили ученые.
Малые дозы облучения в сельском хозяйстве
Практическое применение технологии требует не одной «универсальной» дозы, а индивидуального подбора режима облучения. Он зависит от сорта пшеницы, размера и формы семян, типа и мощности источника излучения, а также риска грибковых заболеваний. Поэтому сочетание полевых испытаний с компьютерным моделированием поможет подобрать наиболее эффективные параметры обработки.
— Дальнейшие исследования будут направлены на изучение молекулярных механизмов, которые запускаются в семенах под воздействием низких доз ионизирующего излучения. Такой комплексный подход может стать основой для разработки эффективных методик повышения урожайности сельскохозяйственных культур, — подчеркнул завкафедрой физического факультета МГУ, заведующий отдела ядерно-физических методов в медицине и промышленности НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ Александр Черняев.
Малые дозы облучения действительно могут стимулировать физиологические функции организмов, рассказала профессор кафедры биофизики Сибирского федерального университета, ведущий научный сотрудник Института биофизики СО РАН Надежда Кудряшева.
— Живые системы, пытаясь компенсировать стресс, ищут новое состояние равновесия. И пока они способны совершать эти действия, они живы. Для растений этот эффект особенно актуален, так как они более устойчивы к облучению, чем бактерии или животные, — сообщила она.
Эксперт отметила, что устойчивость к облучению напрямую зависит от сложности организма. Чем сложнее он устроен, тем больше у него защитных механизмов. Поэтому растения переносят такое воздействие легче, чем бактерии, и способны отвечать на него стимуляцией физиологических процессов.
По словам Надежды Кудряшевой, ключевая задача — подобрать оптимальную дозу. Малые уровни излучения не вызывают в урожае изменений, опасных для человека, тогда как их превышение может привести к образованию токсичных соединений. Именно поэтому для каждой культуры и условий выращивания необходимо экспериментально определить безопасные и эффективные режимы применения технологии.
Физические методы обработки семян, включая ионизирующее излучение, считаются перспективным способом стимуляции их прорастания, рассказала «Известиям» доктор сельскохозяйственных наук, заведующая кафедрой «Общая биология и биохимия» Пензенского государственного университета Галина Карпова.
— Ранняя стимуляция ростовых процессов действительно может повлиять на дальнейшее развитие растений и их урожайность. Однако результаты, полученные на сорте пшеницы «Новосибирская 29», требуют дополнительной проверки. Пока остается открытым главный вопрос: удастся ли сохранить такой эффект при переходе от экспериментальных участков к масштабному посеву, — сказала она.
По мнению эксперта, технология требует дальнейших исследований. Не менее важно оценить и ее экономическую эффективность: нужно выяснить, какими должны быть производственные установки, чтобы их применение в агросекторе было рентабельным. Еще одной задачей станет создание оборудования, которое можно использовать в промышленных масштабах.
Источник: iz.ru
