Способ повышения урожайности ячменя Российский патент 2024 года по МПК A01G7/00 A01G22/20 A01C1/06 B82Y99/00 

Изобретение относится к области использования нанотехнологий в сельском хозяйстве и может найти применение при возделывании зерновых культур, в частности - ячменя.

Ячмень является основной зернофуражной культурой и занимает четвертое место в мире по производству после пшеницы, риса и кукурузы [Бугаев П.Д., Абдельхамид С.Э.А. «Агротехнические приемы повышения урожайности и качества зерна ярового ячменя» https://kormoproizvodstvo.ru/7-2019/03-03-1333/]. В России на долю ячменя приходится около 25% валового сбора зерна. Повышение урожайности ячменя является одной из актуальных задач современной агрохимии.

Предпосевная обработка семян протравителями и/или стимуляторами роста -важный агротехнический прием, широко используемый для повышения урожайности зерновых культур. Описаны способы выращивания зерновых культур, в т.ч. ячменя, включающие стадию предпосевной обработки семян протравителями и/или стимуляторами роста, содержащими продукты, полученные путем химического синтеза. Так, согласно [RU 2775622 С2, опубл. 05.07.2022], способ выращивания ярового ячменя включает предпосевное протравливание семян препаратом Виал Траст, содержащим комбинацию двух биологически активных действующих веществ - фунгицидов тиабендазол (2-(4-тиазолил)-1Н-бензимидазол), 80 г/л и тебуконазол ((RS)-1р-хлорфенил-4,4-диметил-3-(1Н-1,2,4-триазол-1-ил-метил)пентан-3-ил), 60 г/л, а также антистрессовые компоненты не указанного состава. В комплексе с другими агротехническими приемами достигнуто улучшение биометрических показателей проростков и повышение урожая ячменя на 6,8 ц/га в сравнении с контролем. В изобретении [RU 2689720 С2, опубл. 28.05.2019] в качестве стимулятора роста для предпосевной обработки семян ячменя предложено использовать 0,01% водный раствор диаммония 5-аза-4-оксо-2-гептендиоата (C₆H₁₃N₃O₅), обеспечивающего увеличение энергии прорастания, всхожести семян, ускорение начала созревания и повышение урожайности ячменя. В документе [RU 2720624 С1, опубл. 12.02.2020] описано применение в качестве протравителя семян яровых пшеницы и ячменя препарата фенилметилен-4-R-ацетофенон (халкон) формулы С₆Н₅СН=СНС(О)C₆H₄R-4, где R=-Br или -ОСН3, обеспечивающего уменьшение развития корневых гнилей гельминтоспориозного типа в период вегетации и повышение урожайности за счет увеличения количества продуктивных стеблей, продуктивности соцветий и массы тысячи зерен. Применение в сельскохозяйственных технологиях препаратов, являющихся продуктами химического синтеза, часто связано с угрозой причинения вреда окружающей среде и загрязнения нежелательными примесями кормов и продуктов питания, полученных с их использования. Поэтому большое внимание уделяется использованию в сельском хозяйстве средств защиты растений природного происхождения.

Биостимуляторы, полученные из природных объектов, например, продукты, извлекаемые из древесины, способны к биоразрушению и нетоксичны, поэтому более предпочтительны в сравнении с токсичными продуктами химического синтеза. В изобретении [RU 2225100 С2, опубл. 10.03.2004] предложен способ регулирования роста и развития зерновых культур, включающий обработку озимых и яровых пшеницы и ячменя регулятором роста Биосил, полученным на основе природной смеси тритерпеновых кислот, выделенных из древесной зелени пихты сибирской путем экстракции алифатическими спиртами. Однако, описанный способ предполагает, помимо обработки семян, двукратное опрыскивание вегетирующих растений, что существенно повышает трудозатраты. В основе изобретения [RU 2716583 С1, опубл. 12.03.2020] лежит применение живицесодержащего стимулятора роста ячменя и пшеницы, содержащего 10% живицы сосновой, для протравливания семян при посеве (100 мл/т) и опрыскивания в фазу кущения (60 мл/га). Изобретение позволяет улучшить морфометрические показатели роста и развития яровых культур, повышает стрессоустойчивость и выживаемость зерновых культур, увеличивает урожайность ячменя и пшеницы. Недостатком способа является невысокий прирост урожайности зерна (не более 11% по сравнению с контролем).

Одно из современных экологически ориентированных направлений решения задачи повышения урожайности зерновых культур состоит в создании биопрепаратов, способствующих улучшению минерального питания растений за счет перевода труднорастворимых соединений макро- и микроэлементов в растворимую форму, пригодную для поглощения корнями растений. Так, например, для повышения урожайности зерновых культур предложены штаммы бактерий: Pantoea agglomerans Ф19, обладающий фосфатсолюбилизирующей, фитопротекторной и ростостимулирующей активностью [RU 2757123 С1, опубл. 11.10.2021], Pseudarthrobacter equi S2, обладающий калийсолюбилизирующей, фитопротекторной и ростостимулирующей активностью [RU 2757506 С1, опубл. 18.10.2021], Acinetobacter johnsonii А1, обладающий азотфиксирующей, фитопротекторной и ростостимулирующей активностью [RU 2760335 С1, опубл. 24.11.2021]. Согласно [RU 2760336 С1, опубл. 24.11.2021], применение комбинированного препарата, содержащего смесь культуральных жидкостей указанных штаммов в соотношении 1:1:1 с титром каждого штамма не менее 1×10⁷ КОЕ/см³ для предпосевного опрыскивания семян ярового ячменя и однократной обработки посевов обеспечивает прибавку к урожаю 0,7 т/га, что превышает контрольные показатели почти на 26%. Однако, несмотря на свою эффективность, бактериальные биопрепараты имеют существенные недостатки, связанные с особыми условиями хранения и транспортировки, сравнительно короткими сроками годности, достаточно высокой стоимостью таких препаратов, трудоемкостью их получения. Помимо этого, подобные бактериальные препараты могут быть менее эффективными при работе с определенными видами почв и культурных растений, поэтому необходимо подбирать конкретный биопрепарат на основе микроорганизмов для каждого случая.

Несмотря на большое количество известных технических решений, направленных на повышение урожайности зерновых культур, не прекращается поиск новых перспективных, отвечающих экологическим требованиям, продуктов, проявляющих стимулирующий эффект в возможно более низких дозах и обладающих низкой токсичностью. В связи с этим в последние годы особое внимание привлекает использование углеродных фуллеренсодержащих наноструктур, которые, благодаря своим размерным характеристикам и высокой химической активности, способны проявлять ростостимулирующий эффект в весьма низких концентрациях. Так, например, показана ростостимулирующая активность фуллеренсодержащих препаративных форм комплексных агротехнических препаратов в отношении пасленовых культур [RU 2698207 С2, опубл. 23.08.2019] и проростков гороха посевного [Волков В.А. и др. «Новые стимуляторы роста растений на основе водорастворимых наночастиц N-замещенных моноаминокислотных производных фуллерена С₆₀ и изучение механизма их действия» // Биофизика, 2020, Т. 65, №4, с. 745-752]. В лабораторных экспериментах, описанных в [RU 2581658 С2, опубл. 20.04.2016], показано, что добавление к семенам яровой пшеницы аддукта индолилмасляной кислоты (ИМК) со смесью фуллеренов С₅₀-С₉₂ в количестве 0,00001% от массы зерен, приводит к увеличению длины проростка до 48% по сравнению с контролем и до 22% по сравнению с экспериментом, в котором ИМК в той же дозировке не связана со смесью фуллеренов. В документе [RU 2772654 С1, опубл. 23.05.2022] сообщается, что замачивание семян пшеницы при естественном освещении в течение 5-12 ч в коллоидном водном растворе фуллерена С₆₀ с концентрацией 10^-9 М при массовом отношении раствора фуллерена к семенам, равном 1:1, позволяет повысить урожайность озимой и яровой пшеницы на 15 и 21% соответственно.

В работе [Г.Г. Панова и др. «Производные фуллерена стимулируют продукционный процесс, рост и устойчивость к окислительному стрессу у растений пшеницы и ячменя» Сельскохозяйственная биология 53 (1), 38 (2018)], взятой за прототип, на примере яровой пшеницы и ячменя, выращиваемых в искусственных регулируемых благоприятных условиях (сосуды с аэрируемыми питательными растворами, искусственное освещение) и при моделировании окислительного стресса (УФ-В облучение надземной части растений) показано, что введение в корнеобитаемую среду и некорневая обработка растений питательными растворами, содержащими фуллеренол и аддукты фуллерена С₆₀ с аминокислотами треонином, лизином, аргинином и гидроксипролином в количестве 0,1-1,0 мг/л, и дополнительно смесь макро- и микроэлементов в количестве 15 мг/л, оказывает положительное влияние на продукционный процесс и увеличивает устойчивость к окислительному стрессу. Следует отметить, что в экспериментах использованы сложные смеси, включающие, наряду с производными фуллерена, также микро- и макроэлементы, проявляющие самостоятельную биологическую активность. В работе не исследовано влияние предпосевной обработки семян фуллеренсодержащими смесями на урожайность ячменя. Использование идеальных регулируемых условий выращивания растений не позволяет экстраполировать полученные эффекты на естественные условия выращивания, связанные с возможными стрессовыми природно-климатическими факторами.

Проблема, на решение которой направленно данное изобретение, состоит в разработке способа повышения урожайности ячменя в естественных полевых условиях, основанного на применении фуллеренсодержащих веществ в малых дозах для предпосевной обработки семян.

Проблема решена предлагаемым способом повышения урожайности ячменя, включающим применение фуллеренсодержащего продукта, отличающимся тем, что фуллеренсодержащий продукт представляет собой водный коллоидный раствор фуллерена С₆₀ или его N-замещенного аминокислотного производного, применение представляет собой предпосевную обработку семян указанным раствором, взятым в количестве, обеспечивающем дозировку фуллерена С₆₀ или его N-замещенного аминокислотного производного 10^-8-10^-10 моль на килограмм семян.

Технический результат - повышение урожайности ячменя в естественных полевых условиях выращивания и расширение ассортимента средств для предпосевной обработки семян ячменя с целью повышения урожайности.

Авторами показано, что предпосевная обработка семян ячменя водным коллоидным раствором фуллерена С₆₀ либо продукта его взаимодействия с аминокислотой в указанных дозах (далее - фуллеренсодержащий биостимулятор) приводит к существенному - до 30% увеличению урожайности при возделывании культуры в естественных полевых условиях. При этом предпосевная обработка семян может быть дополнена некорневой обработкой растений в фазу кущения теми же растворами, а также другими известными агротехническими приемами, используемыми при возделывании зерновых культур.

В отличие от прототипа, в котором растения ячменя, выращиваемые в идеальных, лишенных стрессовых факторов, искусственных условиях, подвергают корневым и некорневым подкормкам фуллеренсодержащими питательными растворами, предлагаемый способ включает предпосевную обработку семян, а его эффективность продемонстрирована при выращивании растений в полевых условиях, сопряженных с воздействием на растения различных, в том числе, неблагопроятных природно-климатических факторов.

Предпосевную обработку семян проводят путем опрыскивания или замачивания. Хотя технический результат достигается в обоих вариантах применения фуллеренсодержащего биостимулятора, опрыскивание при постоянном перемешивании более предпочтительно, т.к. позволяет минимизировать необходимый объем раствора при максимально полном использовании действующего вещества, избежать потерь биостимулятора, обусловленных неполным впитыванием раствора семенами при замачивании, а также избежать непроизводительных трудо- и энергозатрат, связанных с необходимостью сушки семян после замачивания. Лабораторные эксперименты на семенах гороха сорта «Фараон» [Волков В.А. и др. «Новые стимуляторы роста растений на основе водорастворимых наночастиц N-монозамещенных аминокислотных производных фуллерена С₆₀ и изучение механизма их действия» // Биофизика, 2020, Т. 65, №4, с. 745-752], показали, что снижение концентрации аминокислотных производных фуллерена С₆₀ при обработке семян до 10^-11 М приводит к снижению стимулирующего эффекта на всхожесть и энергию прорастания. Повышение дозировки выше 10^-8 моль/кг семян экономически не оправдано, т.к. не дает дополнительного положительного эффекта.

Коллоидный раствор фуллерена С₆₀ получают ультразвуковой обработкой (42 кГц, 50 Вт) насыщенного раствора фуллерена С₆₀ (99,9%, фирма-производитель "Acros Organics") в толуоле в присутствии воды по методике, описанной в работе [G.V. Andrievsky et al. "On the production of an aqueous colloidal solution of fullerenes". J. Chem. Soc. Chem. Commun, 1995; 12, p.p. 1281-1282]. Гидратированные аминокислотные производные фуллерена С₆₀ (N-коньюгаты) в виде водных коллоидных растворов получают, как описано в работе [V.S. Romanova, et al. "Addition of amino acids and dipeptides to fullerene C₆₀ giving rise to monoadducts". Russian Chemical Bulletin, 1994, No.6, p.p.1090-1091] путем одностадийного синтеза смешением толуольного раствора фуллерена С₆₀ с водными растворами аминокислот с последующей обработкой ультразвуком при температуре 60°С в течение 6-8 часов при постоянном перемешивании. Затем растворители отгоняют, полученный остаток обрабатывают насыщенным раствором KCl, после чего производят диализ. Полученные коллоидные растворы содержат фуллерен С₆₀ или его аминокислотные производные в концентрации от 10-⁴ до 10^-2 М. Перед приготовлением предназначенных для обработки семян водных растворов, содержащих фуллеренсодержащий биостимулятор, содержание активного вещества в исходном коллоидном растворе определяют гравиметрическим методом путем испарения воды до постоянной массы сухого остатка. Ранее по результатам разных тестов [RU 2196602 С1, опубл. 20.01.2003] показано, что полученные таким методом N-монозамещенные аминокислотные производные фуллерена С₆₀ не обладают цитотоксичностью в дозировке 160-1500 мкг/мл (0,2-2 мМ).

Наноразмерная структура частиц получаемых коллоидных растворов и их антиоксидантные свойства показаны в работе [V.A. Volkov, et al. "Mechanism of the Antioxidant Activity and Structure-Activity Relationship of N-Monosubstituted Amino Acid Derivatives of Fullerene C₆₀" //Kinetics and Catalysis, 2021, V. 62, p. 395-403. DOI: 10.1134/S0023158421030095]. Предполагается, что ростостимулирующий эффект наноразмерных фуллеренсодержащих препаратов, связан с их способностью регулировать процессы перекисного окисления липидов и снижать уровень окислительного стресса. Растворимость в воде N-конъюгатов, по-видимому, достигается путем самосборки молекул в наноагрегаты, в которых гидрофильные аминокислотные остатки расположены на поверхности, а гидрофобный кор фуллерена С₆₀ - внутри наночастиц. Методом люминесцентных зондов было показано, что N-монозамещенные аминокислотные прозводные фуллерена С₆₀ способны проникать через липидный бислой клеточных мембран [R.A.Kotelnikova, et al. "Membrane-tropic properties of water soluble amino acid and peptide derivatives of fullerene[60]" // FEBS Letters, 1996, 389, 111-114].

Возможность реализации изобретения с достижением заявленного технического результата продемонстрирована на приведенных ниже примерах, реализованных в соответствии с «Руководством по проведению регистрационных испытаний регуляторов роста растений, дефолиантов и десикантов в сельском хозяйстве» [Сычев В.Г. и др., Минсельхоз России, 2016 г., 220 с.].

Посев ярового ячменя сорта «Московский-86» был осуществлен в конце мая 2019 г на опытном поле лаборатории сортовых технологий яровых зерновых культур и систем защиты растений ФИЦ «Немчиновка» (город Москва, поселение Первомайское, деревня Кривошеино) в условиях агроклиматической зоны I, общая площадь делянки 100 м, учетная 50 м². Почва дерново-подзолистая на покровном суглинке, мощность пахотного слоя 26-28 см при содержании гумуса до 2,0-2,2%, рНсоль около 5,6-5,8, содержание подвижного фосфора по Кирсанову 140-160 мг/кг и обменного калия 95 - 110 мг/кг почвы. Агротехнические мероприятия: предшественник: зернобобовые; сразу после уборки культуры-предшественника обработка дискатором «Амазоне» на глубину 10-12 см., далее зяблевая вспашка оборотным плугом «Лемкен» на глубину 18-21 см. Весеннее боронование закрытие влаги; предпосевное внесение Азофоски марки N₁₆P₁₆K₁₆ в дозе 100 кг/га под культивацию (КПН-4,2) на глубину 6-8 см; дата посева 25 мая 2019 г.; норма высева: 4,5 млн. всхожих зерен на 1 га. Проведена обработка посевов в фазе кущения против сорняков гербицидом Линтур в дозе 175,0 г/га, против вредителей инсектицидом Децис Профи в дозе 25 г/га и против комплекса листостеблевых болезней фунгицидом Альто Турбо в дозе 0,4 л/га. Уборка опытных делянок проведена поделяночно комбайном «HEGE 125», перед уборкой проведен отбор пробных снопов с каждого варианта опыта на площади по (0,25 м²) для проведения структурного анализа

Для предпосевной обработки исследуемыми препаратами использовано 500 мл рабочего раствора фуллеренсодержащего биостимулятора с концентрацией действующего вещества 2×10^-8 моль/л на 10 кг семян, при этом дозировка фуллеренсодержащего биостимулятора составляет 10^-9 моль/кг семян. В примерах 1 и 2 в качестве фуллеренсодержащего биостимулятора взят водный коллоидный раствор фуллерена С₆₀; в примерах 3 и 4 в качестве фуллеренсодержащего биостимулятора взят водный коллоидный раствор калиевой соли N-моногидрофуллеренил)-D-аланина (Н-С₆₀-NH-СН(СН₃)-СООК). В примерах 2 и 4 предпосевную обработку семян дополняют некорневой обработкой растений в фазу кущения через 14 дней после всходов теми же растворами, которые использованы для предпосевной обработки, в концентрации 1x10" моль/л при расходе 300 л/га. В контроле обработку семян и вегетирующих растений фуллеренсодержащим биостимулятором не проводят.

Пробные площадки для взятия сноповых образцов выделены в соответствии с [Общая часть / М.:2019. - 329 с. - (Методика государственного сортоиспытания сельскохозяйственных культур. ФГБУ «Госсорткомиссия») - с. 152]. Определение высоты растений (параметр 1), взятие сноповых образцов и их анализ (параметры 2-10), массы 1000 зерен (параметр 11), уборка и учет урожая (параметры 16-17) проведены в соответствии с [Зерновые, крупяные, зернобобовые, кукуруза и кормовые культуры / [Подгот.М. А. Федин и др. - М.:1989. - 194 с. - (Методика государственного сортоиспытания сельскохозяйственных культур. Государственная комиссия по сортоиспытанию сельскохозяйственных культур). - с. 18 - 22]. Определение белка проведено в соответствии с ГОСТ 10846-91, крахмала - в соответствии с ГОСТ 10845-98, пленчатости - в соответствии с ГОСТ 10843-76, экстрактивности - в соответствии с ГОСТ 12136-77.

В примерах 2 и 4, включающих обработку семян и вегетирующих растений фуллеренсодержащим продуктом, отмечено удлинение соломины с 65,8 см в контроле до 67,6 и 68,0 см соответственно. Во всех примерах отмечено увеличение общего количества растений, количества стеблей и количества продуктивных стеблей в сравнении с контролем. Общая кустистость в примерах с применением фуллеренсодержащего продукта равна контролю, либо превышает показатель в контроле. Показатели длина главного колоса, количество колосков в главном колосе и количество зерна с главного колоса в примерах 2-4 превышают аналогичные показатели в контроле. Несмотря на незначительный прирост количества зерен, их масса в сравнении с контролем (0,92 г), увеличена до 1,02-1,12 г в примерах 2-4; увеличение массы 1000 зерен в сравнении с контролем получено во всех примерах с применением испытуемых препаратов.

Прирост урожая в примерах 1-4 составил 107,4-131,5% к контролю. При этом, как видно из таблицы, качественные показатели зерна улучшились или остались на уровне, близком к контролю. Таким образом, урожайность ячменя во всех примерах превышает урожайность в контроле, что достигается за счет улучшения таких показателей, как количество стеблей и количество продуктивных стеблей на м, количества колосков в главном колосе, количества и массы зерна с главного колоса, массы 1000 зерен.

Таким образом, применение фуллерена С₆₀ и его N-замещенных аминокислотных производных в форме водных коллоидных растворов для предпосевной обработки семян ячменя в указанной дозировке самостоятельно или в сочетании с дополнительной некорневой обработкой вегетирующих растений в фазе кущения этими же растворами обеспечивает повышение урожайности ячменя. Предложенные фуллеренсодержащие биостимуляторы расширяют ассортимент стимуляторов роста, способствующих повышению урожайности ячменя и других зерновых культур.

Способ позволяет получить выраженный прирост урожая зерновых в полевых условиях при очень низком расходе действующего препарата, что повышает экономический эффект и снижает риски неблагоприятного воздействия на окружающую среду и здоровье человека и животных.

Фуллерен С₆₀, как один из компонентов сажи, является распространенным в природе соединением. Низкие применяемые дозы и установленная в токсикологических исследованиях низкая токсичность его аминокислотных производных являются существенными преимуществами предлагаемого способа с точки зрения экологической безопасности при высокой экономической эффективности.

Изобретение относится к области сельского хозяйства. Способ включает применение фуллеренсодержащего продукта, представляющего собой водный коллоидный раствор фуллерена С₆₀ или его N-замещенного аминокислотного производного. Применение представляет собой предпосевную обработку семян указанным раствором, взятым в количестве, обеспечивающем дозировку фуллерена С₆₀ или его N-замещенного аминокислотного производного 10^-8-10^-10 моль на килограмм семян. Способ обеспечивает повышение урожайности ячменя в естественных полевых условиях выращивания и расширение ассортимента средств для предпосевной обработки семян ячменя для повышения урожайности. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ повышения урожайности ячменя, включающий применение фуллеренсодержащего продукта, отличающийся тем, что фуллеренсодержащий продукт представляет собой водный коллоидный раствор фуллерена С₆₀ или его N-замещенного аминокислотного производного, применение представляет собой предпосевную обработку семян указанным раствором, взятым в количестве, обеспечивающем дозировку фуллерена С₆₀ или его N-замещенного аминокислотного производного 10^-8-10^-10 моль на килограмм семян.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве аминокислотного производного фуллерена С₆₀ используют калиевую соль N-(моногидрофуллеренил)-D-аланина.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что предпосевную обработку семян проводят опрыскиванием раствором фуллеренсодержащего продукта при перемешивании.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что указанную предпосевную обработку семян дополняют некорневой обработкой растений в фазу кущения теми же фуллеренсодержащими продуктами.