ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРЕДПОСЕВНОЙ ОБРАБОТКИ СЕМЯН ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ НАНОЧАСТИЦАМИ МЕТАЛЛОВ

Использование нанотехнологий в сельском хозяйстве — перспективное направление, которое позволит снизить зависимость величины и качества урожая от внешних факторов. Особое место занимают исследования, связанные с предпосевной обработкой семян наночастицами (НЧ) металлов. В настоящей работе впервые показано, что предпосевная обработка семян озимой пшеницы сорта Стан наночастицами металлов с заданными физико-химическими свойствами оказывает влияние на морфометрические показатели роста озимой пшеницы на всех стадиях ее развития, а также на устойчивость растений к действию фитопатогенов, качество зерна, степень его поражения фузариозом и элементный состав почвы после уборки урожая. При этом эффекты зависят от вида используемого металла. Нашей целью было изучение влияния предпосевной обработки семян наночастицами железа, цинка, меди на показатели роста озимой пшеницы на всех стадиях ее развития, а также качества зерна и элементного состава почвы после уборки урожая. Наночастицы железа (НЧ), цинка, меди были получены методом высокотемпературной конденсации на установке Миген-3 (Институт энергетических проблем химической физики РАН, Россия). Форму и размер НЧ оценивали методом электронной микроскопии на растровом электронном микроскопе JSM-7401F («JEOL Ltd.», Япония). Рентгенофазный анализ НЧ осуществляли на рентгеновском анализаторе АДП-1 (НПО «Современные технологии неразрушающего контроля», Россия). Полевой опыт проводили в хозяйственных условиях на базе валидационного полигона Новокубанского филиала ФГБНУ Росинформагротех (Краснодарский край). Преобладающий тип почв хозяйства — чернозем типичный, среднегумусный, тяжелосуглинистый. Производственный посев озимой пшеницы (Triticum aestivum L.) сорта Стан проводили 4 октября 2016 года с установочной нормой высева семян 240 кг/га. Было заложено пять вариантов опыта: контроль (семена без обработки), обработка семян НЧ Fe (5×10^-4 %), НЧ Zn (1×10^-4 %), НЧ Cu (5×10^-7 %), НЧ Fe + НЧ Zn + НЧ Cu (5×10^-4 % + 1×10^-4 % + 5×10^-7 %). Отбирали почвенные образцы для анализа на содержание химических элементов. Густоту стояния, высоту, длину корня, глубину залегания узла кущения и кустистость определяли в фазу 3-4-го листа осенью, а также весной при возобновлении вегетации (6-8 листьев) и в фазу кущения (главный побег и 2-3 побега кущения). За 2 нед до уборки оценивали высоту растений, длину корня, толщину главного стебля у основания, длину колоса, число зерен в колосе, число продуктивных и непродуктивных стеблей. НЧ железа, цинка, меди представляли собой монокристаллические структуры круглой формы, покрытые полупрозрачной оксидной пленкой. Средний диаметр НЧ Feсоставлял 27,0±0,51 нм, НЧ Zn — 54,0±2,8 нм, НЧ Cu — 79,0±1,24 нм. Результаты рентгенофазового анализа показали, что в НЧ железа кристаллическая металлическая фаза составляла 53,6 %, фаза Fe₃O₄ — 46,4 %, толщина оксидной пленки — 3,5 нм. НЧ Cu и Zn содержали только кристаллическую металлическую фазу с одинаковой толщиной оксидной пленки — от 0,5 до 1,0 нм. Предпосевная обработка семян НЧ Fe влияла на высоту всходов, способствовала формированию развитой корневой системы с длиной корней, превышающей значения в контроле на 4,50 % (р ≤ 0,05), и увеличивала густоту всходов на 9,96 % (р ≤ 0,05). Предуборочный мониторинг посевов выявил повышение урожайности растительной массы пшеницы при обработке семян НЧ Fe и Cu. Длина растений была больше показателя в контроле (81,3±1,2 см) соответственно на 3,8 и 8 см, средняя толщина главного стебля у основания растений — на 6 и 5 мм в сравнении с контролем (44±1,0 мм). Отмечали увеличение продуктивности стеблестоя в вариантах с НЧ Fe и Zn, повышение устойчивости к воздействию патогенов при обработке НЧ Fe (процент больных колосьев в сноповом материале в 3,85 раза меньше по сравнению с контролем), тенденцию к увеличению средней массы 1000 зерен при использовании НЧ Fe, Zn и Cu. Показатели качества урожая имели более высокие значения по сравнению с контролем: по содержанию сырой клейковины — на 6,12 % при обработке посевного материала НЧ Zn, Cu, композицией НЧ, по массовой доле белка — на 5,1 % при обработке НЧ Cu и композицией НЧ. Предпосевная обработка НЧ Fe и Zn снижала зараженность фузариозом зерна соответственно в 1,24 и 2,25 раза по сравнению с контролем. Элементный анализ почвы после уборки урожая показал снижение содержания подвижных форм фосфора на 27 % и цинка на 48 % в варианте с НЧ Zn, а также уменьшение количества подвижных форм фосфора на 23 % и серы на 7 % при обработке семян НЧ Cu по сравнению с контролем. Полученные данные свидетельствуют об активном влиянии предпосевной обработки семян НЧ металлов на показатели роста, развития и качества зерна пшеницы.

Ключевые слова: наночастицы, железо, цинк, медь, структура урожая, качество зерна, микроэлементный состав почвы.

Пшеница — важнейшая продовольственная культура в странах умеренного климата, которую использует в пищу свыше половины населения Земного шара. До 2050 года спрос на пшеницу увеличится вдвое в связи с растущими пищевыми потребностями (1). В то же время проблемы при производстве пшеницы постоянно усугубляются угрозами новых болезней, появлением более агрессивных вредителей, сокращением водных ресурсов, ограниченностью доступной пахотной земли, изменениями климата и нестабильностью погодных условий (2).

Для увеличения производства пшеницы, помимо современных методов агротехники, широко используют достижения генетики и селекции, а также нанотехнологии и наноматериалы (2-4). Рост урожайности и улучшение состояния посевов за счет оптимизации питания и защиты растений с помощью нанотехнологий и наноматериалов позволят решить не только гуманитарные (повышение урожайности и качества продукции), но и экологические проблемы (4, 5). Наиболее часто в практике сельского хозяйства используют наночастицы (НЧ) на основе Zn, Cu, Fe, Mn или их оксидов. Наночастицы оксида цинка (ZnO) и оксида меди (CuO) применяют во многих коммерческих продуктах, включая антимикробные препараты. Недавние исследования подтверждают их эффективность как фунгицидов, поскольку они способны ингибировать рост грибных патогенов растений. Не случайно применение наночастиц для усиления роста растений и борьбы с их болезнями становится передовой практикой (6-10).

Интерес к использованию НЧ в растениеводстве связан с их уникальными свойствами. Наши многолетние исследования дисперсных систем и наночастиц позволили выявить следующие особенности биологического действия НЧ. Наночастицы металлов имеют низкую токсичность, в 7-50 раз меньшую, чем токсичность металлов в ионной форме. Они обладают пролонгированным и полифункциональным действием, стимулируют обменные процессы, легко проникают во все органы и ткани. Их биологическая активность связана с особенностями строения и физико-хими-ческими характеристиками. При совместном применении НЧ металлов увеличивают эффективность природных полисахаридов (11-14). Благодаря своим размерам, НЧ активно проникают и распределяются по всем тканям, способствуя более активному протеканию физиологических, биохимических, молекулярных процессов при прорастании, росте и развитии растений. Попадая в биожидкости, НЧ выполняют роль депо, из которого за счет медленного процесса окисления частиц растение получает необходимые элементы для питания и роста. Такие особенности биологического действия наночастиц позволяют применять их в практике растениеводства, причем эффективные концентрации НЧ на два порядка ниже концентраций солей металлов (15). Особое место занимают исследования, связанные с предпосевной обработкой семян наночастицами, что позволяет добиться повышения урожайности на 30-40 % (16).

В настоящей работе впервые показано, что предпосевная обработка семян наночастицами металлов с определенными физико-химическими свойствами влияет на морфометрические показатели роста озимой пшеницы на всех стадиях ее развития, а также на устойчивость растений к действию фитопатогенов, качество зерна, степень его поражения фузариозом и элементный состав почвы после уборки урожая. При этом эффекты зависят от вида используемого металла.

Нашей целью было изучение влияния предпосевной обработки семян наночастицами железа, цинка, меди (по отдельности и в сочетании) на показатели роста озимой пшеницы на всех стадиях ее развития, а также на качество зерна и элементный состав почвы после уборки урожая.

Методика. Наночастицы железа, цинка, меди были получены методом высокотемпературной конденсации (17) на установке Миген-3 (Институт энергетических проблем химической физики РАН, Россия) (18). Навески НЧ диспергировали в дистиллированной воде на ультразвуковом дезинтеграторе Scientz JY 92-IIN («Ningbo Scientz Biotechnology Co., Ltd», Китай) при 0,5 А и 44 кГц (время 30 с, перерыв 30 с, 3 повторные обработки), диспергируемую смесь охлаждали в ледяной бане.

Форму и размер наночастиц оценивали методом просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) на растровом электронном микроскопе JSM-7401F («Jeol Ltd.», Япония) при напряжении 1 кВ. Для определения среднего диаметра НЧ микрофотографии обрабатывали с помощью компьютерной программы Micran 25 (https://www.micran.ru/), измеряя в поперечнике как минимум 1000 частиц. На основании полученных данных строили кривые распределения НЧ по размерам и оценивали средний диаметр наночастиц.

Рентгенофазный анализ наночастиц металлов проводили на рентгеновском анализаторе АДП-1 (НПО «Современные технологии неразрушающего контроля», Россия). В качестве источника излучения использовали кобальтовую трубку. Съемку осуществляли в режиме: шаг 0,05°, время накопления сигнала 8-10 мин. Для установления фазового состава НЧ полученные интерференционные пики обрабатывали с помощью компьютерной программы Match 3.8.0.137 (http://www.crystalimpact.com/).

Исследования выполняли на озимой пшенице (Triticum aestivum L.) сорта Стан (Краснодарский НИИ сельского хозяйства), который выбрали из сортов, допущенных для использования в Северо-Кавказском регионе на высоком или среднем агрофоне. Сорт сильный, короткостебельный, устойчив к полеганию и осыпанию, скороспелый, характеризуется высокими хлебопекарными качествами зерна. Высота растений около 95 см. При искусственном заражении проявляет иммунность к пыльной головне. Устойчив к бурой, желтой и стеблевой ржавчине, обладает полевой устойчивостью к мучнистой росе, среднеустойчив к твердой головне, средневосприимчив к септориозу, восприимчив к фузариозу колоса. Морозостойкость средняя, жаростойкость высокая.

Полевой опыт проводили в хозяйственных условиях на базе валидационного полигона Новокубанского филиала ФГБНУ Росинформагротех в зоне неустойчивого увлажнения Краснодарского края. Преобладающий тип почв хозяйства — чернозем типичный, среднегумусный, тяжелосуглинистый. Отбор почвенных образцов для анализа содержания химических элементов проводили согласно ГОСТ 17.4.4.02-84 «Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа» (М., 2018). Каждый средний образец был составлен из 10 индивидуальных проб, отобранных на одной пробной площадке методом конверта на глубину пахотного слоя (30 см). Почвы хозяйства имели повышенное содержание гумуса, повышенную и высокую нитрификационную способность, низкое, среднее и повышенное содержание фосфора, среднее и повышенное содержание калия, обменную кислотность, близкую к нейтральной и нейтральную. Обеспеченность серой низкая и средняя; марганцем, цинком и медью — низкая. В среднем по хозяйству в 1 кг почвы содержалось 37,1 мг нитратного азота, 20,0 — фосфора, 297 — калия, 5 — серы, 3,14 — марганца, 0,37 — цинка, 0,08 мг меди, 4,56 % гумуса; pH 6,16.

Производственный посев озимой пшеницы сорта Стан (РС-1) проводили в оптимальный для Центральной агроклиматической зоны срок — 4 октября 2016 года с установочной нормой высева семян 240 кг/га. Средняя дневная температура по месяцам составляла +18,1 °С (сентябрь 2016 года), +10,7 °С (октябрь 2016 года), +6 °С (ноябрь 2016 года), -2,6 °С (декабрь 2016 года), -1,3 °С (январь 2017 года), +0,1 °С (февраль 2017 года), +8,3 °С (март 2017 года), +13,1 °С (апрель 2017 года), +17,6 °С (май 2017 года), +22,6 °С (июнь 2017 года), +26,6 °С (июль 2017 года).

Было заложено пять вариантов опыта: контроль (семена без обработки), обработка семян НЧ Fe (5×10^-4 %), НЧ Zn (1×10^-4 %), НЧ Cu (5×10^-7 %), НЧ Fe + НЧ Zn + НЧ Cu (5×10^-4 % + 1×10^-4 % + 5×10^-7 %). Все технологические операции при возделывании пшеницы на опытном и контрольных участках проводили в один день и единым технологическим агрегатным составом.

Содержание подвижных соединений фосфора и калия в почве определяли по ГОСТ 26204-91 «Почвы. Определение подвижных соединений фосфора и калия по методу Чирикова в модификации ЦИНАО» (М., 1992). Степень поражения зерна фузариозом оценивали согласно ГОСТ 31646-2012 «Зерновые культуры. Метод определения содержания фузариозных зерен» (М., 2019).

Для проведения фенологических и биометрических наблюдений брали растения с трех площадок размером 1 м² для каждого участка опытных и контрольных образцов. Густоту стояния, высоту, длину корня, глубину залегания узла кущения и кустистость определяли в фазу 3-4-го листа осенью, а также весной при возобновлении вегетации (6-8 листьев) и в фазу кущения (главный побег и 2-3 побега кущения). Кустистость рассчитывали, как число всех стеблевых побегов на одно растение.

За 2 нед до уборки оценивали высоту растений, длину корня, толщину главного стебля у основания, длину колоса, число зерен в колосе, число продуктивных и непродуктивных стеблей. Для этого на учетных площадях закладывали рамки размером 50×50 см, в границах которых выкапывали все растения, полностью разбирали их по элементам структуры урожая, проводили подсчет и обмер (в 3 повторностях по каждому варианту опыта).

Качество зерна оценивали по следующим показателям: массовая доля сырой клейковины (ГОСТ Р 54478-2011 «Зерно. Методы определения количества и качества клейковины в пшенице». М., 2012), массовая доля белка (ГОСТ 10846-91 «Зерно и продукты его переработки. Метод определения белка». М., 2009), стекловидность (ГОСТ 10987-76 «Зерно и продукты его переработки. Метод определения стекловидности». М., 2009), натура (ГОСТ 10840-2017 «Зерно. Методы определения натуры». М., 2019) и массовая доля влаги (ГОСТ 13586.5-2015 «Зерно. Метод определения влажности». М., 2019).

Статистическую обработку данных осуществляли в программах Microsoft Excel 2010 и Statistica 20 («StatSoft, Inc.», США). Определяли средние значения изучаемых показателей (М) и стандартные ошибки среднего (±SEМ). Достоверность различий между вариантами оценивали методами параметрической (t-критерий Стьюдента) и непараметрической (W-крите-рий парных сравнений Вилкоксона) статистики. Различия между вариантами считали статистически значимыми при p≤ 0,05.

Результаты. Требования, предъявляемые к нанопорошкам в зависимости от области их применения и свойств, различны, чем объясняется существование большого числа методов синтеза наночастиц и многообразие самих частиц. Оптимальная биологическая активность НЧ проявляется в зависимости от их физико-химических характеристик, включая такие показатели, как размер, фазовый и элементный состав, толщина оксидной пленки на поверхности (13, 14). Кроме того, эффективность действия наночастиц металлов зависит от концентрации наночастиц и способа их использования (15).

Согласно ПЭМ-изображениям, НЧ металлов, которые были изучены в настоящей работе, представляли собой монокристаллические структуры округлой правильной формы, покрытые полупрозрачной оксидной пленкой (рис. 1). НЧ Fe имели размер 5-80 нм, со средним диаметром частиц 27,0±0,51 нм, средний диаметр НЧ Zn — 54,0±2,8 нм, размер НЧ Cu — 79,0±1,24 нм. По результатам рентгенофазового анализа в НЧ Fe кристаллическая металлическая фаза составляла 53,6±4,2 %, фаза оксида железа Fe3O4 — 46,4 %, толщина оксидной пленки — 3,5 нм. НЧ Cu и Zn состояли только из кристаллической металлической фазы с одинаковой толщиной оксидной пленки — от 0,5 до 1,0 нм.

В полевых опытах показано, что при предпосевной обработке семян НЧ Fe густота стояния растений осенью составила 320±11 шт/м², что на 10 % больше показателя в контрольном варианте (291±9 шт/м²) (р ≤ 0,05). Высота растений при обработке семян НЧ Fe достоверно (р ≤ 0,05) превышала контроль на 2,0±0,5 см. Предпосевная обработка семян НЧ Cu на 17,9 % (р ≤ 0,05) уменьшала густоту стояния растений и незначительно увеличивала высоту растений по сравнению с контролем. При предпосевной обработке семян НЧ Zn и композицией НЧ (Fe, Zn, Cu) наблюдалась небольшая задержка в росте растений и развитии их корневой системы, густота стояния растений практически не отличалась от контроля.

На начальной стадии осеннего кущения наибольшее число стеблей образовывалось при предпосевной обработке семян НЧ Zn (в 1,5 раза больше значения у контрольных растений; р ≤ 0,05). Эта тенденция сохранялась и на стадии кущения в весенний период (рис. 2). Предпосевная обработка НЧ Cu и композицией НЧ также способствовала активному кущению пшеницы. Наибольшая глубина залегания узла кущения в осенний период наблюдалась у растений при обработке НЧ Fe (до 4,3±0,7 см), наименьшая (2,35±0,5 см) — НЧ Zn, в контроле значения составляли 3,13±0,6 см. В весенний период показатель глубины залегания узла кущения во всех группах опыта был одинаковым (3,6±0,1 см).

Формирование корневой системы растений в осен-ний и весенний периоды на-иболее активно происходило при предпосевной обработке НЧ Fe: длина корней увеличивалась соответственно на 4,5 и 3,8 % (р ≤ 0,05) по сравнению с контролем. Значительное влияние наночастиц железа на формирование корневой системы и на ее активность отмечали многие авторы (15, 19, 20).

Следовательно, перед началом зимнего периода при предпосевной обработке семян пшеницы НЧ металлов представляла собой хорошо укорененные и раскустившиеся растения, превышавшие контроль по показателям высота стеблей (НЧ Fe, НЧ Cu), густота всходов (НЧ Fe, НЧ Zn, композиция НЧ), глубина залегания узла кущения (НЧ Fe, НЧ Cu, композиция НЧ). Причем погодные условия начального периода роста и развития растений характеризовались ранним похолоданием и обильным снежным покровом. После зимнего периода погибших или поврежденных растений в полевом опыте обнаружено не было.

По результатам предуборочного мониторинга (табл. 1), предпосевная обработка семян НЧ металлов способствовала увеличению высоты растений, причем наибольшие значения, превышавшие контроль на 9,1 % (р ≤ 0,05), были получены в варианте с НЧ Cu (см. табл. 1). Средняя длина корней варьировала от 7,8±0,9 см (композиция НЧ) до 8,1±1,0 см (НЧ Cu) при значении в контроле 8,04±0,5 см. Средняя толщина стебля узла растений у основания при обработке семян НЧ Fe и НЧ Cu превышала контрольное значение (44,0±1,0 см) соответственно на 13,6 % и 11,4 % (р ≤ 0,05). Наибольшее число стеблей наблюдалось в группе растений с предпосевной обработкой зерна НЧ Zn (на 0,8 % выше контроля) и композицией НЧ (на 2,0 % выше контроля). Причем предпосевная обработка зерна НЧ Zn увеличивала число непродуктивных стеблей на 1,3 % (р ≤ 0,05), а обработка зерна композицией НЧ снижала числе непродуктивных стеблей на 0,4 % (р ≤ 0,05) по сравнению с контролем. Наименьшее число больных стеблей по сравнению с контролем выявили в вариантах с НЧ Fe, НЧ Zn и НЧ Cu. Обработка НЧ Fe снижала число больных стеблей в 4 раза (р ≤ 0,05). В этих же группах масса 1000 зерен превышала контрольное значение соответственно на 1,9; 1,3 и 1,1 %.

В 2017 году отмечались обильные атмосферные осадки, а высокая влажность благоприятствует развитию грибных болезней, в том числе фузариоза. Известно, что жиз-недеятельность грибов существенно снижает урожайность и качество зерна злаковых культур, возможно заражение пищевого сырья, продуктов питания и кормов и их контаминация грибными токсинами (21). Учитывая актуальность проблемы, немаловажным показателем оценки качества зерна служит наличие в нем зараженных зерен. Использование НЧ Fe для обработки посевного материала снижало зараженность зерна фузариозом в 1,24 раза (р ≤ 0,05), НЧ Zn — в 2,25 раза (р ≤ 0,05), НЧ Cu и композиции наночастиц — в 1,33 раза (р ≤ 0,05) по сравнению с контролем (см. рис. 3). У НЧ Zn способность с высокой эффективностью тормозить развитие патогенов, в том числе возбудителя фузариоза, отмечали и другие авторы, причем не только на пшенице, но и на бобовых культурах (22, 23).

В соответствии с техническими требованиями собранное зерно для всех вариантов опыта по показателям качества относилось к IV классу мягкой пшеницы (табл. 2). Показатели качества зерна у растений после предпосевной обработки семян НЧ металлов имели более высокие значения по сравнению с контролем. Так, массовая доля сырой клейковины превышала контрольное значение после обработки НЧ Fe на 2,6 %, НЧ цинка Zn и композицией НЧ — на 5,1 %, НЧ Cu — на 6,1 %. Массовая доля белка в зерне после обработки НЧ железа была выше, чем в контроле, на 1,6 %, НЧ Zn — на 2,5 %, НЧ Cu — на 3,4 %, композицией НЧ — на 5,1 %. Значения стекловидности и натуры зерна увеличивались в пределах 1 % по сравнению с контролем.

Следовательно, предпосевная обработка семян НЧ Fe (5×10^-4 %), Zn (1×10^-4 %) и Cu (5×10^-7 %) (по отдельности или в композиции) существенно влияет на прорастание семян, биологическую урожайность растительной массы, продуктивность стеблестоя, устойчивость к воздействию болезнетворных патогенов и показатели качества зерна. Это происходит благодаря изменению структурной организации листьев, регуляции развития сосудистых пучков листьев, стеблей, корней, что приводит к усилению фотосинтеза в листьях и увеличению сосущей силы корней (15). Изучение механизма регуляции этих процессов на молекулярном уровне активно проводится с помощью транскриптомного, протеомного, метаболомного анализов (24, 25).

При исследовании элементного состава почвы после уборки урожая зерна, обработанного наночастицами металлов, мы установили, что реакция почв по вариантам опыта (pH) была нейтральной, содержание тяжелых металлов не превышало установленных ПДК. Так, количество свинца (Pb) составляло от 0,19 до 0,22 мг/кг почвы (при ПДК не более 6,0 мг/кг), кадмия (Cd) — от 0,023 до 0,028 мг/кг почвы (при ПДК не более 0,10 мг/кг). Обеспеченность почвы нитратным азотом (N-NO₃), подвижным фосфором (P₂O₅), обменным калием (K₂O), подвижной серой (S), марганцем (Mn), цинком (Zn), медью (Cu) в основном соответствовала составу почвы контрольного варианта. Однако были выявлены и некоторые изменения. Так, при обработке семян НЧ Zn в почве уменьшилось содержание P₂O₅ на 27 % и Zn на 48 %, что соответствует «низкой» группе обеспеченности. При обработке семян НЧ Cu после уборки урожая наблюдалось снижение обеспеченности почвы P₂O₅ на 23 % и S на 7 % по сравнению с контролем. Результаты анализа свидетельствуют о том, что, несмотря на низкие концентрации НЧ металлов, они могут влиять на элементный состав почвы. Дальнейшие исследования позволят выявить закономерности воздействия НЧ металлов на микроэлементный состав почвы и ее биоту. Несомненно, возможность изменения микроэлементного состава почвы необходимо учитывать в технологии предпосевной обработки семян наночастицами цинка и меди.

Таким образом, установлено, что предпосевная обработка семян озимой пшеницы сорта Стан наночастицами железа, цинка и меди и их композицией положительно влияет на морфологические показатели растений на всех стадиях роста и качество урожая, а также предотвращает развитие фитофтороза. Наилучшие морфометрические показатели на начальной стадии роста и развития наблюдались при применении НЧ Fe (достоверное увеличение высоты всходов на 12 %, длины корней на 4,5 %, густоты стояния растений на 9,96 %, глубины залегания узла кущения на 9,3 % по сравнению с контролем). В предуборочный период опытные посевы характеризовались высоким стеблестоем, превышающим контрольный показатель при предпосевной обработке НЧ Fe на 4,3 %, НЧ Cu — на 9,1 %. Средняя толщина главного стебля у основания в этих вариантах превышала контроль соответственно на 13,6 и 10,4 %. Наименьшее число больных стеблей отмечали в вариантах с НЧ Fe, НЧ Zn, НЧ Cu. Масса 1000 зерен при предпосевной обработке НЧ Fe, НЧ Zn, НЧ Cu увеличивалась на 1,9; 1,3 и 1,1 % по сравнению с контролем. Во всех опытных вариантах возрастала массовая доля сырой клейковины (на 2,5-6,1 %) и белка (на 1,6-5,1 %) в зерне. Увеличивались значения стекловидности и натуры зерна. Поражение зерна фузариозом при обработке семян НЧ Zn снижалось в 2,25 раза по сравнению с контролем, при обработке другими НЧ металлов и их композицией — на 20-30 %. После уборки урожая озимой пшеницы в почве отмечали уменьшение содержания подвижных форм фосфора и цинка на 27 и 48 % при использовании НЧ Zn, а также снижение обеспеченности почвы P₂O₅ и S на 23 и 7 % в варианте с НЧ Cu.

Авторы благодарят Министерство образования и науки РФ и сотрудников лаборатории ИНЭП ХФ РАН им. В.Л. Тальрозе ФИЦ ХФ РАН под руководством А.Н. Жигача за поддержку в проведении экспериментов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ray D.K., Mueller N.D., West P.C., Foley J.A. Yield trends are insufficient to double global crop production by 2050. PLoS ONE, 2013, 8(6): e66428 (doi: 10.1371/journal.pone.0066428).
2. Tigchelaar M., Battisti D.S., Naylor R.L., Ray D.K. Future warming increases probability of globally synchronized maize production shocks. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018, 115(26): 6644-6649 (doi: 10.1073/pnas.1718031115).
3. Полищук С.Д., Голубева Н.И. Изменение лабораторной всхожести семян яровой пшеницы под воздействием обработки их ультрадисперными материалами. Вестник Рязанского агротехнологического университета, 2010, 3: 38-39.
4. Голубева Н.И. Воздействие нанокристаллического порошка меди на полевую всхожесть, рост и развитие пшеницы. Вестник Рязанского агротехнологического университета, 2012, 1: 8-10.
5. Duhan J.S., Kumar R., Kumar N., Kaur P., Nehra K., Duhan S. Nanotechnology: The new perspective in precision agriculture. Biotechnology Reports, 2017, 15: 11-23 (doi: 10.1016/j.btre.2017.03.002).
6. Pradhan S., Mailapalli D.R. Interaction of engineered nanoparticles with the agri-environment. J. Agric. Food Chem., 2017, 65(38): 8279-8294 (doi: 10.1021/acs.jafc.7b02528).
7. Elsharkawy M.M., Derbalah A. Antiviral activity of titanium dioxide nanostructures as a control strategy for broad bean strain virus in fababean. Pest. Manag. Sci., 2019, 75(3): 828-834 (doi: 10.1002/ps.5185).
8. Alghuthaymi M.A., Almoammar H., Rai M., Said-Galiev E., Abd-Elsalam K.A. Myconanoparticles: synthesis and their role in phytopathogens management. Biotechnology & Biotechnological Equipment, 2015, 29(2): 221-236 (doi: 10.1080/13102818.2015.1008194).
9. El-Temsah Y.S., Joner E.J. Impact of Fe and Ag nanoparticles on seed germination and differences in bioavailability during exposure in aqueous suspension and soil. Environ. Toxicol., 2012, 27(1): 42-49 (doi: 10.1002/tox.20610).
10. Feng Y., Cui X., He S., Dong G., Chen M., Wang J., Lin X. The role of metal nanoparticles in influencing arbuscular mycorrhizal fungi effects on plant growth. Environ. Sci. Technol.,2013, 47(16): 9496-9504 (doi: 10.1021/es402109n).
11. Глущенко Н.Н., Богословская О.А., Ольховская И.П. Физико-химические закономерности биологического действия высокодисперсных порошков металлов. Химическая физика, 2002, 21(4): 79-85.
12. Rakhmetova A.A., Alekseeva T.P., Bogoslovskaya O.A., Leipunskii I.O., Ol'khovskaya I.P., Zhigch A.N., Glushchenko N.N. Wound-healing properties of copper nanoparticles as a function of physicochemical parameters. Nanotechnologies in Russia, 2010, 5(3-4): 271-276 (doi: 10.1134/S199507801003016X).
13. Bogoslovskaja O.A., Rakhmetova A.A., Ovsyannikova M.N., Olkhovskaya I.P., Gluschenko N.N. Antibacterial effect of copper nanoparticles with differing dispersion and phase composition. Nanotechnologies in Russia, 2014, 9(1-2): 82-86 (doi: 10.1134/S1995078014010042).
14. Rakhmetova A.A., Bogoslovskaja O.A., Olkhovskaya I.P., Zhigach A.N., Ilyina A.V., Varlamov V.P., Gluschenko N.N. Concomitant action of organic and inorganic nanoparticles in wound healing and antibacterial resistance: chitosan and copper nanoparticles in an ointment as an example. Nanotechnologies in Russia, 2015, 10(1-2): 149-157 (doi: 10.1134/S1995078015010164).
15. Yuan J., Chen Y., Li H., Lu J., Zhao H., Liu M., Nechitaylo G.S., Glushchenko N.N. New insights into the cellular responses to iron nanoparticles in Capsicum annuum. Sci. Rep., 2018, 8(1): 3228-3239 (doi: 10.1038/s41598-017-18055-w).
16. Shang Y., Hasan K., Ahammed G.J., Li M., Yin H., Zhou J. Applications of nanotechnology in plant growth and crop protection: a review. Molecules, 2019, 24(14): 2558 (doi: 10.3390/molecules24142558).
17. Миллер А.В., Ген М.Я. Способ получения аэрозолей металлов. А.с. 814432 (СССР) ИХФ РАН. № 712949/22-02. Заявл. 19.06.61. Опубл. 23.03.1981. Бюлл. № 11.
18. Leipunsky I.O., Zhigach A.N., Kuskov M.L., Berezkina N.G., Afanasenkova E.S., Kudrov B.V., Lopez G.W., Vorobjeva G.A., Naumkin A.V. Synthesis of TiH2 nanopowder via the Guen-Miller Flow-Levitation method and characterization. Journal of Alloys and Compounds, 2019, 778: 271-279 (doi: 10.1016/j.jallcom.2018.11.088).
19. Duran N.M., Medina-Llamas M., Cassanji J.G.B., de Lima R.G., Almeida E., Macedo W.R., Mattia D., de Carvalho H.W.P. Bean seedling growth enhancement using magnetite nanoparticles. J. Agric. Food Chem., 2018, 66(23): 5746-5755 (doi: 10.1021/acs.jafc.8b00557).
20. Ruttkay-Nedecky B., Krystofova O., Nejdl L., Adam V. Nanoparticles based on essential metals and their phytotoxicity. J. Nanobiotechnol., 2017, 15(1): 33 (doi: 10.1186/s12951-017-0268-3).
21. Ortega L.M., Romero L., Moure C., Garmendia G., Albuquerque D.R., Pinto V.F., Vero S., Alconada T.M. Effect of moisture on wheat grains lipid patterns and infection with Fusarium graminearum. International Journal of Food Microbiology,2019, 306: 108264 (doi: ).
22. Dimkpa C.O., McLean J.E., Britt D.W., Anderson A.J. Antifungal activity of ZnO nanoparticles and their interactive effect with a biocontrol bacterium on growth antagonism of the plant pathogen Fusarium graminearum. Biometals, 2013, 26: 913-924 (doi: 10.1007/s10534-013-9667-6).
23. Savi G.D., Piacentini K.C., de Souza S.R., Costa M.E.B., Santos C.M.R., Scussel V.M. Efficacy of zinc compounds in controlling Fusarium head blight and deoxynivalenol formation in wheat (Triticum aestivum L.). International Journal of Food Microbiology, 2015, 205(4): 98-104 (doi: 10.1016/j.ijfoodmicro.2015.04.001).
24. Yasmeen F., Raja N.I., Razzaq A., Komatsu S. Proteomic and physiological analyses of wheat seeds exposed to copper and iron nanoparticles. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — Proteins and Proteomics,2017, 1865(1): 28-42 (doi: 10.1016/j.bbapap.2016.10.001).
25. Mahakham W., Sarmah A.K., Maensiri S., Theerakulpisut P. Nanopriming technology for enhancing germination and starch metabolism of aged rice seeds using phytosynthesized silver nanoparticles. Sci. Rep., 2017, 7(8): 8263 (doi: 10.1038/s41598-017-08669-5).

ORCID:
Yurina T.A. orcid.org/0000-0002-6158-5714
Olkhovskaya I.P. orcid.org/0000-0003-2322-7868
Drobin G.V. orcid.org/0000-0002-6673-1776
Glushchenko N.N. orcid.org/0000-0002-0227-9282
Bogoslovskaya O.A. orcid.org/0000-0003-1632-4010

To achieve results sooner, cereal crop selection programs usually combine conventional methods, such as selection of parents and large-scale cross-breeding with haploid technology, a methodology which allows obtaining homozygous lines from the F₁ hybrids. Methods of androgenesis (anther culture and isolated microspore culture techniques) have gained widespread use for selection of wheat and triticale. Currently, the main issue for the androgenesis in Triticale is the low efficiency of green plant regeneration. The present work, for the first time ever, utilizes cytokinin zeatin as an exogenic phytohormone in the induction medium, and determines its concentration optimal for improving embryo formation and green plant regeneration from the triticale anther culture. The aim of this research is to increase efficiency of the triticale anther culture, and study the effects of adding cytokinin zeatin to the nutrient medium on embryogenesis induction and regeneration. Two lines of spring triticale, YaTKh-327-11 and Zernokormovoye 5 (facultative), and two lines of winter triticale, T-968 and T-45, were used. Donor plants for the haploid technology were grown in the irrigated field of Kazakh Research Institute of Agriculture and Plant Growing LLP (Kazakhstan, Almaty Region). Cut spikes were subjected to low temperature (4 °C for 14 days), and then the anthers, after they were isolated, to high temperature (32 °C for 3 days). The spikes were sterilized with 0.1 % solution of mercuric chloride. Modified mW14 medium was used as the basic nutrient medium for embryogenesis induction. Five variants of nutrient medium were studied, with concentration of phytohormone zeatin gradually increasing in each subsequent variant (0.2 mg/l, 0.4 mg/l, 0.6 mg/l, 0.8 mg/l, 1.0 mg/l), and medium without zeatin served as control. The study conducted on 4 genotypes of triticale has shown that addition of zeatin to the nutrient mediums in concentrations of 0.2-0.8 mg/l increased the rate of androgenic structure formation by 42.3-65.2 %. Maximal effect on the androgenic structure formation was achieved at 0.4 mg/l concentration of zeatin, with 112 androgenic structures (AS) per 100 anthers on average compared to 67.8 AS per 100 anthers in control group. In the embryogenesis inducing nutrient mediums with 0.4-0.6 mg/l zeatin concentrations the rate of embryogenesis was 16.9-24.1 % higher compared to the control, with embryos having bipolar structure, and producing stem and roots during the regeneration, which indicates positive effect of zeatin on differentiation and organogenesis of the dividing microspore cells. All the variants in the experiment showed a significant increase in the rate of regeneration compared to the control with no zeatin added. In embryos transplanted from the medium containing 0.6 mg/l zeatin the rate of green plant regeneration was the highest reaching 6.3 pcs/100 anthers. It has been established that addition of zeatin and the effect of genotype were the statistically significant factors for androgenic structure formation and regeneration. Efficiency of spontaneous chromosome doubling in triticale amounted to 26.5 %, which has allowed producing 97 double haploid lines from the promising lines of triticale without colchicination.

Keywords: triticale, anther culture, zeatin, embryo, regeneration, albino plants, green plants, spontaneous doubling.