канд. с.-х. наук, ст. науч. сотр.
Ph.D. Agricultural Sciences, Senior Researcher
Background. In Russia, acidic soils account for about 30% of the arable land area, the bulk of which is concentrated in the forest-steppe and subtaiga zones. Soil acidity is one of the important abiotic stress factors for the full growth and development of plants. In acidic soils, aluminum hydroxide is converted into mobile ions, which have a negative impact on the growth and development of plants throughout the growing season. When oat plants are exposed to aluminum ions, cell division in the cortex is disrupted, which leads to deformation of the root system (the length of the root decreases, the color changes, the thickness increases). The resulting transformations lead to a decrease in the efficiency of nutrient absorption by the root system of oat plants, and as a consequence, there is a decrease in yield and deterioration in grain quality.
The purpose to study the effect of aluminum ions on the growth activity of oats at an early stage of ontogenesis.
Materials and methods. The studies were conducted in the laboratory of genomic research in plant growing Research Agricultural Institute of the Northern Trans-Urals, branch of the Federal Research Center of Tyumen Scientific Center, Siberian branch, Russian Academy of Sciences in 2024. The object of research into the effect of aluminum ions on growth activity in the first 7 days of life were 20 varieties of oats (Avena sativa L.). Oat genotypes were germinated using the roll method according to GOST 12038-85 “Seeds of agricultural crops. Methods for determining germination”. The experimental variants for germinating oat plants included: distilled water (control); solutions with aluminum ion concentrations of 4, 9 and 15 mmol/l. The sulfate derivative of aluminum (Al2(SO4)3) was chosen as a source of aluminum ions. The effect of stress on cells of oat genotypes in the root cap was studied under the influence of increasing concentration of aluminum ions. The presence of starch grains in the root cap of oat genotypes was assessed using an Optika B-500Tpl light microscope at 400x magnification. To stain starch grains, a 1% solution of iodine in lactic acid was used. Statistical data processing and variance analysis were performed using the AgCStat and Statistica programs for the Microsoft Excel software product.
Results. Germination of oat genotypes in solutions with an aluminum ion concentration of 4 mmol/l on the 7th day had a negative impact on the development of the root system - the root length index (RLI) reached 27-65% relative to the control. The most resistant to the impact of the stress factor with an Al3+ concentration of 4 mmol/l were the genotypes Gunter (k-14957), Berber (k-15689) and Sapsan (k-15444) – the RLI was 64-65% relative to the control. Among the studied oat genotypes, a group of varieties susceptible to the effects of increasing concentrations of aluminum ions (4-15 mmol/l) was identified: Faust (k-14781), 207h12 (k-15809), 325h12 (k-15808), and Chervonny (k-2896). The average value of the RLI in the susceptible group reached: 4 mmol/l – 35; 9 mmol/l – 17%; 15 mmol/l – 9% relative to the control. According to the results of a two-factor analysis of variance, the influence of aluminum ions on the development of the length of primary roots (93%) and the ratio of air-dry mass of roots and shoots (65%) of oat genotypes was established (Ffact.>Ftheor). Oat genotypes susceptible to the stress factor showed signs of destruction of starch grains in the root cap at an Al3+ concentration of 9 mmol/l. These changes are associated with structural disruption of cells in the root cap, which ultimately leads to a loss of geotropic sensitivity in plants.
Conclusion. As a result of the conducted studies, tolerant oat genotypes to the effects of increasing concentrations of aluminum ions (4-15 mmol/l) during the juvenile period were identified: Berber (k-15924), 162h15 (k-15925), Argamak (k-14648) and Sapsan (k-15444). The average value of the root length index of the most resistant oat genotypes in variants with increasing concentration of aluminum ions reached: 4 mmol/l – 62; 9 mmol/l – 32%; 15 mmol/l – 13% relative to the control. The main target of the toxic effects of aluminum ions on oat plants were primary roots. Under the influence of the stress factor, the index of the ratio of roots and shoots of oat genotypes decreased by 1.5-3.8 times relative to the control values. A relationship has been established between the resistance of oat genotypes to aluminum ions and the presence of starch grains in the root cap.
Обоснование. В России на долю кислых почв пахотного фонда приходится около 30% площади, основная часть которой сосредоточена в лесостепной и подтаежной зоне. Кислотность почв является одной из важных абиотических стресс-факторов для полноценного роста и развития растений. В кислых почвах гидроокись алюминия преобразуется в подвижные ионы, которые оказывают негавное влияние на рост и развитие растений на протяжении всей вегетации. При воздействии ионов алюминия на растения овса нарушается деление клеток кортекса, что приводит к деформации корневой системы (уменьшается длина корня, изменяется цвет, увеличивается толщина). Вызванные трансформации приводят к снижению эффективности поглощения питательных веществ корневой системой растений овса и как следствие происходит снижение урожайности и ухудшение качества зерна.
Цель – изучить влияние ионов алюминия на ростовую активность овса посевного на раннем этапе онтогенеза.
Материалы и методы. Исследования проводили в лаборатории геномных исследований в растениеводстве НИИСХ СЗ – филиал ТюмНЦ СО РАН в 2024 году. Объектом исследований влияния ионов алюминия на ростовую активность в первые 7 дней жизни были 20 сортов овса посевного (Avena sativa L.). Генотипы овса проращивали рулонным методом по ГОСТу 12038-85 «Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести». Варианты опыта для проращивания растений овса предусматривали: дистиллированную воду (контроль); растворы с концентрацией ионов алюминия: 4, 9 и 15 ммоль/л. В качестве источника ионов алюминия была выбрана его сульфатная производная (Al2(SO4)3). Изучено воздействие стресса на клетки генотипов овса в корневом чехлике, под действием возрастающей концентрации ионов алюминия. Оценку на наличие крахмальных зерен в корневом чехлике генотипов овса проводили при помощи светового микроскопа Optika B-500Tpl в 400 кратном увеличении. Для окрашивания крахмальных зерен использовали 1% раствор йода в молочной кислоте. Статистическую обработку данных и дисперсионный анализ проводили с использованием программ AgCStat и Statistica для программного продукта Microsoft Excel.
Результаты. Проращивание генотипов овса в растворах с концентрацией ионов алюминия 4 ммоль/л на 7 сутки оказало негативное влияние на развитие корневой системы – индекс длины корня (ИДК) достиг 27-65 % относительно контроля. Наиболее устойчивыми к воздействию стресс-фактора с концентрацией Al3+ 4 ммоль/л были генотипы Гунтер (к-14957), Бербер (к-15689) и Сапсан (к-15444) – ИДК составил 64-65 % относительно контроля.
Среди изученных генотипов овса выявлена группа восприимчивых сортов к воздействию возрастающей концентрации ионов алюминия (4-15 ммоль/л): Фауст (к-14781), 207h12 (к-15809), 325h12 (к-15808) и Червонный (к-2896). Среднее значение ИДК у восприимчивой группы достигло: 4 ммоль/л – 35; 9 ммоль/л – 17%; 15 ммоль/л – 9% относительно контроля. По результатам двухфакторного дисперсионного анализа установлено влияние ионов алюминия на развитие длины первичных корешков (93%) и соотношение воздушно-сухой массы корней и побегов (65%) генотипов овса (Fфакт.>Fтеор). Восприимчивые генотипы овса к стресс-фактору имели признаки деструкции крахмальных зерен в корневом чехлике при концентрации Al3+ 9 ммоль/л. Эти изменения связаны со структурным нарушением клеток в корневом чехлике, что в результате приводит к утрате геотропической чувствительности растений.
Заключение. В результате проведенных исследований выявлены толерантные генотипы овса к воздействию возрастающей концентрации ионов алюминия (4-15 ммоль/л) в ювенильный период: Бербер (к-15924), 162h15 (к-15925), Аргамак (к-14648) и Сапсан (к-15444). Среднее значение индекса длины корня, наиболее устойчивых генотипов овса, на вариантах с возрастающей концентрацией ионов алюминия достигло: 4 ммоль/л – 62; 9 ммоль/л – 32%; 15 ммоль/л – 13% относительно контроля. Основной мишенью токсического проявления ионов алюминия на растения овса были первичные корешки. Под действием стресс-фактора индекс соотношения корней и побегов генотипов овса уменьшился в 1,5-3,8 раза относительно контрольных значений. Установлена взаимосвязь устойчивости генотипов овса к ионам алюминия с наличием крахмальных зерен в корневом чехлике.