СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ РАСТЕНИЙ Российский патент 1995 года по МПК A01N59/16 

Изобретение может быть использовано в сельском хозяйстве для повышения урожайности сельскохозяйственных культур.

Известен способ повышения жизнедеятельности растений, в котором предлагается для подкормки растений использовать смешаннолигандные комплексы переходных металлов (железо, медь, цинк), используя в качестве лигандов лимонную кислоту и ионы аммония. Железоаммонийный цитрат одновременно для растений является источником азота, включаемым растительным организмом в биохимические процессы, а цитрат используется в цикле Кребса. Подкормка растений железоаммонийным цитратом увеличивает урожай до 20%
Недостатками железоаммонийного цитрата является невысокая эффективность воздействия на растительный организм. При приготовлении данного микроудобрения расходуется большое количество аммиака, т.е. небольшая его часть входит в состав комплекса и основная его доля, используемая для приготовления этого соединения, выбрасывается в атмосферу. Это приводит к повышению стоимости комплекса, а, с другой стороны, при массовом приготовлении железоаммонийного цитрата ухудшается экологическое состояние воздушного бассейна.

Целью изобретения является нормализация и активация метаболических процессов у сельскохозяйственных культур, а также повышение урожая.

Это достигается тем, что для обеспечения функционирования на максимально высоком уровне фотосинтетического аппарата сельскохозяйственные культуры выращиваются при воздействии на них микроудобрений, представляющих собой смешанолигандные комплексные соединения переходных металлов. Особенность этих микроудобрений состоит в том, что центральный атом комплекса в растительном организме выполняет функции микроэлемента, а в качестве лигандов используются два жизненноважных для клетки разнохарактерных вещества, находящиеся в отношении 1-1 и участвующие в различных биохимических и физиологических процессах клетки. Причем одновременно с двумя жизненноважными веществами во внутренней среде комплекса имеется слабокоординируемая молекула воды, которая крайне лабильна и легко замещается на донорный атом белка-переносчика, способствующего трансмембранному переносу комплекса в клетку.

В зависимости от потребностей конкретной культуры и условий ее выращивания для формирования смешанолигандного комплекса может быть использована одна из комбинаций следующих компонентов. Pазнохарактерные физиологически активные соединения-водорастворимые витамины; водорастворимые витамины с глицином или лимонной кислотой (цитратом); глицин с цитратом.

Таким образом использование аквакомплексов способствует их активному ассимилированию растениями, что обеспечивает клетку всем комплексом макро- и микроэлементов, а также соединениями с биологической активностью, которые необходимы ей для поддержания всего аппарата, связанного с биохимическими и физиологическими процессами на максимальном уровне.

Сущность изобретения состоит в том, что компоненты смешаннолигандного комплекса нормализуют и активируют в клетке различные биохимические и физиологические процессы. Зависимость фотосинтеза от элементов минерального питания и биологически активных веществ определяется их необходимостью для формирования фотосинтетического аппарата.

Целенаправленное коструирование смешаннолигандных комплексов переходных металлов осуществляется с учетом функции их составных компонентов в метаболизме клеток. Это обусловило формирование комплексов с заданной реакционной способностью, обеспечивающей в клетке их разрушение и дальнейшее превращение с образованием требуемых продуктов, например, целенаправленное образование витаминозависимых ферментов. Для облегчения трансмембранного переноса комплексов в клетку конструирование их молекул осуществлялось так, чтобы при построении внутренней координационной сферы кроме двух разнохарактерных биологически активных веществ в ней находились 1-2 молекулы лабильной воды. В связи с этим вода легко замещается на донорные атомы, например, белка-переносчика, образуя координационное соединение клетка-комплексное соединение переходного металла. Трансмембранный перенос в клетку комплекса осуществляется с помощью белка-переносчика с использованием энергии градиента электрохимического потенциала, создаваемом на мембране. Это обуславливает накопление комплекса в клетке. Проведенные исследования с микроорганизмами (Шишков Ю. И. Некоторые аспекты пpименения аквааминных комплексных соединений в микробиологических производствах. Обзор Изд. ВНИИСЭНТИ, 1987, с. 1-31) показали, что при использовании аквакомплексов содержание металла в клетке 1,5-2 раза больше по сравнению с его накоплением при применении солей этого металла. При этом следует подчеркнуть, что концентрация комплекса в питательной среде была существенно ниже по сравнению с содержанием соли. Важно отметить, что размеры молекулы и стерическое строение смешаннолигандных комплексов соответственно меньше и значительно проще, чем у комплексонатов, что облегчает транспорт этого соединения в клетку и способствует накоплению веществ, необходимых для формирования каталитических систем или активированных ферментов.

Таким образом активное ассимилирование клетками комплекса микроэлементов с разнохарактерными лигандами в ходе фотосинтеза обеспечивает их микроэлементами, физиологически и биологически активными веществами, обеспечивающими функциональную целостность растительного организма, и используются ими для формирования эффективно работающего фотосинтетического аппарата, построения пигментов, компонентов электрон-транспортной цепи, структурных белков и каталитических систем хлоропластов. Преимущество предлагаемой композиции комплексов биологически активных микроудобрений состоит в том, что после фотохимического разрушения они в клетке выделяют жизненноважные для нее элементы, физиологически и биологически активные вещества, активно включающиеся в метаболические процессы, в то время как комплексы металлов с поликислотами образуют для клетки инородные химические вещества, которые при накоплении в организме человека могут отрицательно на него воздействовать.

Механизм воздействия на клетку смешаннолигандных комплексов по прототипу и в изобретении имеет много общего и в то же время отличается рядом особенностей обусловленных спецификой веществ, входящих в состав комплексов. Общее состоит в том, что после трансмембранного переноса происходит фотохимическое разложение комплекса и компоненты комплекса включаются в метаболические процессы. Если у прототипа и изобретения механизм взаимодействия с клеткой микроэлемента (центральный атом комплекса) один и тот же, то воздействие лигандов на растительный организм существенно отличается. Лиганды прототипа: аммиак источник азота, а лимонная кислота включается в цикл Кребса. Иное действие лигандов у изобретения. Во-первых, наличие в комплексе в качестве лиганда физиологически активного вещества-витамина способствует образованию в клетке витаминзависимых ферментов. Во-вторых, использование в качестве лиганда такой аминокислоты, как глицин, облегчает биосинтез порфиринов, так как он является исходным продуктом в биосинтезе порфиринов. В реакциях биосинтеза порфиринов используется активированный глицин.

Активирование глицина на первой стадии включает комплексирование с железом (II), а затем образуется шиффово основание с пиридоксальфосфатом, участвующее в образовании б-аминолевулиновой кислоты (Рубин Б. А. Гавриленко В. Ф. Биохимия и физиология фотосинтеза. М. Изд. МГУ, 1977, с. 573) поэтому комбинация железа (II) с глицином и витамином будет способствовать формированию полноценного функционального фотосинтетического аппарата. В третьих, наличие во внутренней среде слабокоординированных молекул воды способствует активному переносу смешанолигандного комплекса в клетку. Это обуславливает снижение расхода комплекса при подкормке.

Активное ассимилирование клеткой аквакомплекса с разнохарактерными лигандами обеспечивает растение всем комплексом макро- и микроэлементов, а также соединениями с регуляторной функцией, которая необходима растениям для поддержания работы всего фотосинтетического аппарата на максимально высоком уровне. Результаты работы фотосинтетического аппарата реализуются в урожае через сложную цепь процессов жизнедеятельности растений, катализируемых активными веществами или принимающих активное участие в работе электротранспортной сети.

Важность конструирования молекулы смешаннолигандного комплекса с лабильной водой обусловлено тем, что некоторая часть ассимилированных клеткой молекул комплекса не подвергается фотохимическому разрушению, вследствии наличия у металлов свободных координационных мест он взаимодействует с донорными атомами белков внутриклеточных мембран. Продуктом этой реакции является сложное координационное соединение белок-комплекс переходного металла со смешанными лигандами. Металл определяет функциональную роль координационного соединения в биохимических и физиологических процессах клетки. Металл комплекса включается в работу электротранспортной цепи, в которой координационное соединение является искусственно созданной частью окислительно-восстановительной системы. Все это в совокупности обуславливает более эффективное воздействие на клетку комплексов изобретения по сравнению с комплексами прототипа.

Конструирование смешаннолигандного комплекса осуществляли по следующему принципу. Сначала формировали комплекс с одним бидентатным лигандом. Затем к центральному атому на свободные координационные места, занятые молекулами воды, путем их замещения присоединяли необходимое число молекул второго лиганда. Количество молекул лигандов выбрано с таким расчетом, чтобы при формировании молекулы комплекса во внутренней его среде оставались не замещенные на лиганды молекулы воды.

Для обеспечения нормального протекания биохимических и физиологических процессов помимо компонентов минеральной и органической природы для метаболизма и роста клеток растений требуются физиологически активные вещества, к которым относятся и витамины, но в отличие от фитогормонов они не способны оказывать формообразовательных эффектов, а только усиливают их активность. Анализ питательных сред для культивирования микроорганизмов и растительных клеток (Бекер М.Е. Лапиеньш Г.К. Райпулис Е.П. Биотехнология М. Агропромиздат, 1990, с. 110-112, 145-149) позволяет считать, что при культивировании растительных клеток на синтетических средах потребность у них в витаминах одного порядка, что и у микроорганизмов. Эти ростовые факторы микроорганизмов в питательных средах, на которых они выращиваются, находятся в интервале концентрации от 0,001 до 1000 мкг/л (концентрация зависит от природы витамина). Этот рабочий интервал концентраций был использован для подкормки растений смешаннолигандными комплексами биогенных металлов.

П р и м е р 1 (контроль). Объектом исследований является салат "Хибинская капуста". Семена салата перед высевом в течение 12 ч замачивались при комнатной температуре в воде и после замачивания высаживались в перлит, т. е. на поддерживающую среду. Выращивание салата осуществляли гидропонным способом. Питательной средой служил раствор, описанный в (А.М. Гродзинский, Д. М. Гродзинский. Краткий справочник по физиологии растений. Киев: Наукова думка, с. 42). Отличие контрольного раствора от раствора, предложенного в этой работе, состояло в том, что вместо хлорида железа (FeCl₃^. 6H₂O) использовалось комплексное соединение железоаммонийный цитрат. Концентрация комплекса дана по железу и содержание этого металла в указанных растворах была одинакова и равнялась 0,0013 г/л.

Раствор имел следующий состав, г/л: KNO₃ 0,4 H₃BO₃ 0,00072 Ca(O₃)₂ 0,5 MnSO₄ 0,00045 NH₄NO₃ 0,16 ZnSO₄ 0,00006 KH₂PO₄ 0,14 CuSO₄ 0,00002 Fe-NH₄-cit 0,0013 MgSO₄ 0,28
(дано по железу)
Комплексное соединение ферроаммонийный цитрат был изготовлен по способу, описанному в прототипе. После изготовления комплекса железа отбиралось его расчетное количество и вносилось в питательный раствор, содержание которого в растворе соответствовало 0,0013 г/л (дано по железу).

Выращивание салата проводили в течение 28 сут. Полив салата осуществлялся один раз в сутки питательным раствором. После выращивания салата в контрольной среде урожай (биомасса) составила 1042 г/м².

П р и м е р 2. Объектом исследований является салат "Хибинская капуста". Семена салата перед высевом замачивались 12 ч при комнатной температуре в воде и после замачивания высаживались в перлит, т.е. на поддерживающую среду. Выращивание салата осуществляли гидропонным методом, время выращивания 28 дней. Питательной средой служил раствор по примеру 1. Отличие состояло в том, что вместо хлорида железа (FeCl₃^. 6H₂O) использовался смешаннолигандный комплекс железа (III) c глицином (Gl) и парааминобензойной кислотой (ПАБК). Раствор имел состав, г/л: KNO₃ 0,4 MnSO₄ 0,00045 Ca(NO₃)₂ 0,5 ZnSO₄ 0,00006 NH₄(NO₃₎ 0,16 CuSO₄ 0,00002 H₃BO₃ 0,00072 MgSO₄ 0,28
Fe(Gl) ˙ (ПАБК) ˙ (Н₂О)₂ 2˙ 10^-7 (дано по железу).

Приготовление 0,01 М смешаннолигандного комплекса железа (III) осуществляется по следующей методике. Сначала в 50 мл дистиллированной воды растворяли 0,281 г сернокислого окисного железа. После растворения Fe₂(SO₄)₃^. 9H₂О в объеме 50 мл содержится 0,028 г железа (III). Затем в 50 мл воды растворяли 0,0375 г глицина. Этот раствор переливали в постоянно перемешиваемый раствор сернокислого окисного железа. После получения комплекса железа (III) с глицином готовили раствор парааминобензойной кислоты. Для этого в 50 мл воды растворяли 0,0685 г этой кислоты, проявляющей биологические свойства провитамина. По окончании ее растворения раствор этой кислоты переливали в постоянно перемешиваемый раствор комплекса железа (III) с глицином. В итоге был образован аквакомплекс железа (III) со смешанным лигандом. Компоненты комплекса находятся в соотношении 1:1:1. Концентрация комплекса равнялась 0,0019 г/мл (дано по железу) или 1,9 г/л. По окончании приготовления аквакомплекса железа (III) со смешанным лигандом в 1,0 л питательного раствора, не имеющего железа, при постоянном перемешивании вносили 2 х 10^-7 г комплекса (дано по железу).

На полученном питательном растворе, содержащем комплекс железа (III) со смешанным лигандом, выращивался салат. Полив салата осуществляется один раз в сутки. Урожай (биомасса) составил 1286 г/м². Прирост биомассы составил 28,6% по отношению к контролю, т.е. по отношению к контролю, выращенному на среде с использованием раствора, содержащего комплекс железоаммонийного цитрата.

П р и м е р 3. Выращивание салата "Хибинская капуста" проводили по аналогии с примером 2. Отличие состояло только в том, что менялась концентрация используемого в питательной среде комплекса с железом (III).

Результаты сведены в таблицу.

Из данных, приведенных в таблице, видно, что комплексное соединение железа (III) со смешанным лигандом обладает ростактивирующим воздействием на салат. Анализ полученных экспериментальных данных указывает на то, что биологическая активность соединений железа возрастает в ряду неорганическая соль < железо-аммонийный цитрат < железо (III) с глицином и ПАБК. Необходимо отметить, что эффективное воздействие комплекса (III) с глицином и ПАБК на растительный организм наблюдается при значительно меньших концентрациях, чем комплекс прототипа железоаммонийный цитрат.

П р и м е р 4. Объектом исследований служили семена салата "Хибинская капуста", которые перед высевом предварительно вымачивали (обрабатывали) в течение 6 ч смесью растворов смешаннолигандных комплексов железа (III) и цинка (II). Комплекс железа (III) во внутренней среде имел цитрат и глицин, а комплекс цинка (II) глицин и ПАБК. Лиганды комплексов находились в отношении 1:1. Концентрация каждого комплекса в смеси равнялась 2 х 10^-8 г/л (дано по металлу). Замачивание семян салата проводили в этой смеси в течение 12 ч. После замачивания семена промывались дистиллированной водой и высаживались в перлит. Выращивание салата проводили с использованием гидропонного метода. Питательной средой служил раствор, описанный в примере 1, следующего состава: KNO₃ 0,4 H₃BO₃ 0,00072 Ca(NO₃)₂ 0,5 MnSO₄ 0,00045 NH₄NO₃ 0,16 ZnSO₄ 0,00006 KH₂PO₄ 0,14 CuSO₄ 0,00002 Fe-NH₄-cit 0,0013 MgSO₄ 0,28
(в пересчете на железо)
Контрольные семена обрабатывали смесью растворов железа (III) и цинка (II), лигандами которых является аммоний и лимонная кислота (по прототипу). Концентрация каждого комплекса в растворе составляет 2 х 10^-8 г/л (дано по металлу). Выращивание культуры проводили до полного формирования растений. Установлено, что всхожесть семян по сравнению с контролем увеличилась на 32% Влияние комплексов с биологическими и физиологическими веществами во внутренней сфере влияют на рост вегетативных органов и глубину проникновения корней. Высота стеблей опытных растений по сравнению с контрольными после формирования растения была на 12% выше, а длина корня приблизительно на 15% Выращивание растений в течение 28 сут. позволило в опытных экспериментах получить урожай на 21% выше, чем в контроле.

П р и м е р 5. Объектом исследования служили семена помидор сорта "Гамаюн", которые перед высеиванием в твердый грунт замачивались в течение 12 ч в смеси растворов комплексов железа (III) с цитратом и глицином, а также меди (II) с глицином и ПАБК, концентрация каждого комплекса в растворе была 2 х 10^-8 г/л (дано по металлу). После замачивания в смеси растворов комплексов переходных металлов с разнохарактерными лигандами семена промывались дистиллированной водой и высевались в закрытый грунт. Полив проводили один раз в сутки раствором комплекса железа (III) с цитратом и ПАБК с концентрацией 2 х 10^-7 г/л (дано по железу). Выращивали помидоры в течение 28 сут. Контрольная партия семян замачивалась в смеси растворов железоаммонийного цитрата и меди (II) с этими лигандами с концентрацией каждого комплекса, равной 2 х 10^-8 г/л в течение 12 ч. Перед высевом в грунт контрольные семена промывались водой. Полив проводили раствором железоаммонийного цитрата с концентрацией 2 х 10^-7 г/л (дано по металлу) один раз в сутки.

В результате 28-суточого выращивания томатов было установлено эффективное влияние смешаннолигандных комплексов переходных металлов на рост вегетативных органов помидор и глубину проникновения корней. Наблюдалось увеличение высоты стеблей опытных растений по сравнению с контрольной группой на 11,7% а длины корня на 12,6%
Усложнение состава раствора для замачивания семян путем введения в ранее названную смесь комплексов железа (III) и меди (II) раствора комплекса марганца (II) с пиридоксамином (витамином В6) и янтарной кислотой. Необходимо отметить, что комплекс марганца (II) очень неустойчив и его компоненты находятся в динамическом равновесии. Однако можно предположить, что некоторая часть компонентов комплекса марганца проникла в растительную клетку в виде координационного соединения. Наблюдалось эффективное влияние смешаннолигандного комплекса биогенных металлов, содержащих витамины, на рост вегетативных органов помидоp и глубину проникновения корней. Высота стеблей опытных растений по сравнению с контролем через 28 сут после появления всходов была в 1,5 раза больше, а длина корня в 1,7 раза.

Из анализа результатов экспериментов 2-5 следует, что комплексы биогенных металлов с разнохарактерными лигандами, один из которых обладает физиологическим действием, ускоряет формирование растений, построение активного фотосинтетического аппарата, начиная с ранних стадий развития растений, необходимого для формирования высокого урожая. Согласно положения теории фотосинтетической продуктивности главными факторами, обеспечивающими уровень общей продуктивности растений, является размер ассимилирующей площади и активность работы фотосинтетического аппарата. Из анализов результатов воздействия смешанных лигандных комплексов на растения, находящихся на разных стадиях развития, следует, что прирост урожая по сравнению с контролем обусловлен более быстрым развитием фотосинтетической системы растения и большими размерами, а также нормализацией и активацией процессов метаболизма.

П р и м е р 6. Объектом исследований служили яблоки сорта "Антоновка", которые дважды, т.е. после развертывания листьев и после цветения опрыскивались комплексом железа (III). Были исследованы два смешаннолигандных комплекса железа (III), т. е. железо (III) с цитратом и глицином, а также железо (III) с ПАБК и глицином. Для кодкормки использовался комплекс железа (III) с концентрацией 2 х 10^-7 г/л (по металлу). В качестве контроля для подкормки яблонь использовался железоаммонийный цитрат прототипа с такой же концентрацией. Установлено, что комплекс железа (III) с цитратом и глицином воздействовал на плодовое дерево на уровне контроля, а комплекс железа (III) с ПАБК и глицином увеличил урожай яблок на 10-12% по сравнению с контролем, в котором для подкормки яблонь использовался комплекс, описанный в прототипе.

Анализ результатов по исследованиям эффективности воздействия комплексов переходных металлов с разнохарактерными лигандами, один из которых является водорастворимым витамином, показал, что эти комплексы проявляют биологическую активность на различных этапах выращивания сельскохозяйственных культур. Изучение биохимического состава салата и яблок после подкормки культур смешаннолигандным комплексом указывает на его улучшение по сравнению с контролем, т.е. в полученном урожае наблюдалось до 1,5% увеличение содержания витаминов, чем в контрольных вариантах.

Увеличение урожая и улучшение его биохимического состава при использовании в технологии выращивания сельскохозяйственных культур предлагаемой композиции комплексов позволяет считать эти соединения биологически активными микроудобрениями. Их применение является важной составной частью организации эффективной системы сбалансированного питания растений элементами, необходимыми для функционирования фотосинтетического аппарата на максимально высоком уровне. Уровень фотосинтеза в конечном счете есть основа биосинтеза органических веществ и, следовательно, определяет общую величину биологической продуктивности растений. Фотосинтез одно из звеньев общего метаболизма растений, нормализация и активация которого с помощью биологически активных микроудобрений приводит к повышению биологической и хозяйственной продуктивности. При использовании этого биологически активного микроудобрения необходимо учитывать разнообразие почвенных и климатических условий, проявление генетических особенностей растений и избирательную чувствительность к недостатку биометаллов, взаимоотношения растений с микроорганизмами почвы, на активность жизнедеятельности которых может повлиять комплекс. Следовательно специфика различных биогеопровинций определяет оптимальную концентрацию применения биологически активного удобрения, положительно влияющего на всхожесть семян, высоту растений, количество листьев и завязей, на продуктивность и биохимический состав плода. Эффективность воздействия комплекса новой композиции на растительный организм, простота его приготовления, отсутствие дефицита его компонентов и их невысокая стоимость, а также небольшие расходы комплекса при подкормке растений и деревьев позволяет получить экономическую выгоду оти применения комплексов переходных металлов с разнохарактерными лигандами, один из которых обладает физиологическим действием, а другой является исходным веществом, участвующим в биосинтезе порфиринов.

Изобретение может быть использовано в сельском хозяйстве для повышения урожая. С целью повышения урожая сельскохозяйственные культуры подкармливают смешеннолигандными комплексными соединениями, во внутренней сфере которых находятся два лиганда. Один лиганд обладает физиологическими функциями, а другой является исходным продуктом биосинтеза порфиринов. Эти комплексы являются биологически активными микроудобрениями, применяемые для подкормки растений в интервале концентрации от 2·10^-3 до 2·10^-9г/л ( дано по металлу). 1 табл.

СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ РАСТЕНИЙ, включающий подкормку их биологически активными микроудобрениями в виде комплексов переходных металлов с разнохарактерными лигандами, отличающийся тем, что в качестве биологически активных микроудобрений используют смешанно-лигандные комплексы переходных металлов, в которых один из лигандов обладает физиологическими функциями, а другой лиганд представляет собой исходный продукт биосинтеза порфиринов, при этом подкормку ведут водным раствором микроудобрения с концентрацией 2 · 10^-3 2 · 10^-9 г/л по металлу.