Разработки ВНИИХСЗР в области регуляторов роста растений

Часть 4

Картолин-2 и оксикарбам

В конце семидесятых годов во ВНИИХСЗР в лаборатории Ю.А. Баскакова был синтезирован картолин-2 - N-( изопропоксикарбонил )-О-( 4-хлорфенилкарбамоил )этаноламин [31]. Можно с уверенностью сказать, что это один из наиболее подробно изученных в плане механизма и характера физиологического действия отечественных регуляторов роста. Только библиография по этому препарату включает более пятидесяти печатных работ и несколько обзоров [32].

Растущая потребность сельского хозяйства в препаратах позволяющих сохранить урожай или хотя бы его часть в случае засухи, низких температур, снизить вредное влияние на растения избыточных количеств пестицидов и других глобальных загрязнителей окружающей среды заставила исследователей выделить поиск таких веществ в самостоятельное направление. Тем более что исключительно методами селекции эти проблемы полностью решить не удается, поскольку генетически обусловленное направление ресурсов растения на повышение устойчивости, как правило, снижает их количество, используемое для формирования урожая. Препараты, повышающие устойчивость растений к неблагоприятным условиям произрастания и одновременно позволяющие сохранить урожай, получили название антистрессовых.

До последнего времени единственным широко используемым классом физиологически активных веществ повышающих устойчивость растений к полеганию и избытку минерального питания были ретарданты. Применение физиологически активных веществ для повышения устойчивости растений к другим неблагоприятным факторам еще не получило такой же широкой практической реализации .

В основу подхода к поиску новых антистрессовых препаратов широкого спектра действия разработчиками картолина-2 было положено представление о том что при существующей в практике растениеводства технике внесения препаратов невозможно влиять на имеющиеся у растений, как целостного организма, генетически обусловленные защитные реакции на стрессы, представляющие собой гормонально регулируемую последовательность адаптационных процессов. Практически значимый эффект повышения устойчивости растений под действием физиологически активных веществ более вероятно получить за счет повышения устойчивости основных клеточных структур и как следствие клеток в целом [33].

Известно, что способностью стабилизировать клеточные структуры обладают природные цитокинины и их синтетические аналоги, однако одновременно они участвуют в гормональной регуляции жизнедеятельности растения как целого. Необходимо было найти среди отдаленных структурных аналогов цитокининов вещества, обладающие лишь той частью их активности, которая касается повышения устойчивости клеток и их основных структур.

Для оценки характера и степени физиологической активности синтезируемых в процессе поиска соединений были разработаны специальные и модифицированы известные лабораторные тесты позволяющие оценивать как цитокининовую, так и антистрессовую активность изучаемых веществ [34, 35].

Картолин-2 был отобран как отдаленный структурный аналог цитокининов, который по характеру своей физиологической активности отвечает требованиям исходной гипотезы поиска. Он подобно цитокининам в низких дозах существенно влияет на рост и обмен веществ в суспензионных культурах клеток высших растений, тормозит разрушение хлоропластов, повышает активность РНК-полимеразы, однако практически не влияет на транспирацию, что является характерным показателем гормонального действия цитокининов. В отсутствии стресса, не был он активен и в некоторых других специфичных для цитокининов тестах [36,37].

Первые результаты характеризующие антистрессовую активность картолина-2 были получены на клеточных культурах. Препарат он существенно влиял на морозостойкость каллусной ткани озимой пшеницы. Устойчивость клеток к промораживанию под действием препарата повышалась с -20 до -50 градусов.

Было показано, что этот эффект сохраняется и при воздействии картолина-2 на целое растение. Обработка озимой пшеницы в фазу раскустившихся растений препаратом в дозе 0,1 кг/га по д.в. приводила к повышению их морозостойкости на 20%. Аналогично препарат действовал и на древесные растения. Их обработка 0,1% раствором картолина-2 в осенний период существенно повышала устойчивость смородины, абрикоса, белой акации к низким температурам [38].

Одновременно изучалось влияние препарата на устойчивость растений к недостатку влаги. Был не только выявлен сам эффект повышения устойчивости, но и выяснены причины его возникновения. На примере ярового ячменя показано, что в условиях засухи картолин-2 в значительной степени повышает устойчивость белоксинтезирующего и фотосинтезирующего аппаратов клеток. Как следствие растение в целом, в том числе особенно чувствительный к недостатку влаги репродуктивный аппарат, становятся более устойчивыми к засухе. В результате в условиях засухи продуктивность растений обработанных препаратом оказывается на 15-20% выше, чем у необработанных. В то же время в отсутствии стресса картолин-2 не оказывает заметного влияния на рост, развитие и продуктивность растений.

Изучение механизмов антистрессового действия картолина-2 также показало, что он повышает температурный порог каогуляции белков и цитоплазмы клеток листа. Подробно изучено действие препарата на изменение мембран и энергетические функции митохондрий у озимой пшеницы при закаливании пониженными температурами. Картолин-2 ускоряет перестройку мембран а процессе закаливания, обеспечивая более эффективное функционирование митохондрий в этот критический для растений период. Интересный результат получен при изучении действия картолина-2 на листья многолетних трав. В них значительно повышается активность комплекса фотосинтезирующих ферментов и содержание АТФ. Обнаружено также стабилизирующее действие картолина-2 на состав липидов у семян при неблагоприятных условиях их хранения, что повидимому объясняет его положительное влияние на всхожесть семян различных культур [39].

Практически одновременно с обнаружением у картолина-2 антистрессовой активности начался поиск возможных сфер его применения в растениеводстве. Поскольку повышение клеточной устойчивости может приводить к самым разнообразным , связанным со снижением чувствительности растений к неблагоприятным факторам, хозяйственнополезным эффектам, был оценен характер воздействия препаратов на самые различные культуры при различных типах стресса. При этом основное внимание уделялось не факту повышения жизнеспособности растений, а степени положительного влияния препаратов на урожай [40, 41].

В сферу исследований также попали зерновые и зернобобовые, крупяные и технические культуры, кукуруза, рис, лук, кормовые, плодовые и плодоягодные культуры, лесные насаждения. Выявлено положительное влияние препарата на сохранение урожая при недостатке влаги, низких и высоких температурах, недостаточной освещенности, засолении и затоплении почв, передозировке гербицидов, наличии фифопатогенов. Показано что картолин-2 повышает устойчивость не только самих растений, но и симбиотических систем включающих бобовые растения.

Особое внимание было уделено разработке способов применения препарата с целью повышения устойчивости зерновых культур к засухе и низким температуратм, поскольку эти проблемы особенно остро стоят в нашей стране. Первоначально для ячменя было отработано его применение путем опрыскивания посевов в фазу конец кущения - начало трубкования с целью повышения устойчивости растений к засухе. Для картолина-2 оптимальной оказалась доза 0,20,5кг/га по д.в. Была проведена не только оптимизация доз и сроков применения препаратов, но и оценена чувствительность к ним различных районированных сортов. Так в случае ячменя было оценено 12 таких сортов (БелНИИЗ, КНИИЗХ, Казанский ГУ).

Анализ полученных результатов показал, что препарат наиболее эффективен на относительно чувствительных к недостатку влаги сортах при слабой, средней и даже среднесильной засухе, которая не вызывая гибели растений существенно влияет на величину урожая. Поэтому неслучайно оптимальной фазой обработки оказалась та, которая предшествует моменту наибольшей чувствительности репродуктивной системы злаков к засухе. Фенологические наблюдения и анализ структуры урожая показывают, что посевы обработанные препаратами в случае засухи выглядят более тургорисцентными, зелеными, они имеют большее число продуктивных стеблей, более озерненный колос. Все это обеспечивает в среднем 15-20% прибавку урожая по сравнению с необработанными растениями. В дальнейшем аналогичные результаты получены на других зерновых культурах .

Возможность практического применения картолина-2 для повышения морозостойкости первоначально была показана для озимой пшеницы. В дозе 100-200г/га при обработке растений опрыскиванием в фазу кущения в случае холодной и малоснежной зимы за счет повышения морозостойкости на 3-5 градусов и более успешной регенерации растений после воздействия низких температур, существенно повышается доля выживших растений что положительно сказывается на величине урожая.

При оценке эффективности препарата с целью повышения морозостойкости зерновых впервые было установлено, что хорошие результаты дает не только опрыскивание семян, но и их дражирование перед посевом составами включающими картолин-2. В дальнейшем оказалось, что прием предпосевной обработки семян эффективен и в случае применения препарата для повышения засухоустойчивости зерновых. В этом случае оптимальные дозы гораздо ниже, чем при опрыскивании всего 100 грамм на тонну семян по д.в. Прием предпосевного дражирования семян комплексами препаратов включающими протравители семян, антистрессовые препараты, микроэлементы весьма перспективен и экономичен. Однако в случае озимых культур применение антистрессовых препаратов должно сочетаться с использованием протравителей семян и фунгицидов, предохраняющих растения от болезней во время перезимовки

Способность картолина-2 повышать устойчивость злаков к пониженным температурам, увеличивать жизнеспособность пыльцы и тем самым урожай семян, а также стимулирующее влияние, как отдаленного аналога цитокининов, на рост наземной массы травянистых растений делает перспективным его применение в технологии возделывания многолетних кормовых трав. Было показано, что препарат положительно влияет на семенную продуктивность и сохранение всхожести семян при хранении, на урожай зеленой массы. Результаты получены на широком спектре многолетних злаковых и бобовых кормовых культур.

Также значительный объем работ был проделан с целью исследования возможности использования картолина-2 для сохранения и повышения урожая таких культур как кукуруза, просо, гречиха, тритикале, рапс, лук (Пензенский пед.институт, Казанский ГУ, БелНИИЗ, ВИР и др.). Поскольку, в большинстве зон где они возделываются в нашей эти культуры практически постоянно находятся под воздействием различных стрессовых факторов.

По многолетним данным полученным в Курганской области обработка семян кукурузы перед посевом картолином-2 в дозе 100грамм на центнер семян увеличивает урожай початков на 40-50%. Трехлетние исследования проведенные МОВИР и БелНИИЗ в основных сельскохозяйственных регионах Европейской части СССР на тритикалле, дали результаты аналогичные полученным на других зерновых культурах. В условиях засухи обработка семян этой культуры картолином-2 в дозе 20-50г/тонну по д.в. дает устойчивую прибавку урожая на 15- 30%. Расширенные полевые испытания проводившиеся в течение двух лет в Поволжье на просе и гречихе показали высокую эффективность картолина-2 на этих культурах. Опрыскивание препаратом посевов проса в фазу кущения в дозе 80-120г/га по д.в. повышает урожай в 1,5-1,8 раза.

Весьма перспективным является использование картолина-2 для уменьшения отрицательного последействий применения гербицидов. Оказалось что его можно использовать для снятия токсического действия гербицидов на ризобиальный комплекс у бобовых. Высокая чувствительность клубеньковых бактерий к остаткам таких широкоприменяемых гербицидов как трефлан, базагран, лассо привела к тому, что эффективность включения в севооборот бобовых культур для повышения плодородия почв была сведена на нет. Обработка картолином-2 сои в фазу 2-4 настоящих листьев в дозе 150г/га по д.в. практически полностью снимает токсическое действие остатков указанных гербицидов на бобово-ризобиальный симбиоз. Это приводит к увеличению зеленой массы растений и веса клубеньков на 40-70%, азотофиксирующей активности на 70-150%, повышает урожай зерна в 1,3-1,5 раза.

Активные работы в сфере поиска путей практического применения антистрессовых препаратов позволили зарегистрировать картолин-2, сперва в качестве средства повышающего устойчивость ячменя к воздействию засухи, а затем для пшеницы, ячменя и ржи, в качестве средства для повышения устойчивости этих культур к засухе и низким температурам. Препарат рекомендовалось применять как путем опрыскивания вегетирующих растений, так и путем предпосевной инкрустации семян. Было разрешено его применение на сое в качестве средства предохранения бобово-ризобиального комплекса от токсического действия остатков гербицидов и на многолетних кормовых травах и люцерне для повышения урожая зеленой массы и семян.

В 1989 году картолин-2 был применен на зерновых на 25 тыс га в Белоруссии, в 1990 году на 120 тыс га в Белоруссии и Поволжье. Основным способом применения была предпосевная обработка семян, в 1991 году на зерновых культурах в Белоруссии, Поволжье, Зап. Сибири, на Алтае на площади 500 тыс га. Анализ полученных результатов показал, что на пшенице, ржи и ячмене во всех регионах, где было организовано его применение, в условиях слабой, средней и среднесильной засухи обеспечивалась устойчивая прибавка урожая по сравнению с контролем на 3-9ц/га

Дальнейшим развитием работ в области создания антистрессовых препаратов - отдаленных структурных аналогов цитокининов явилась разработка в лаборатории Ю.А. Баскакова препарата оксикарбам - 2-Гидроксиэтилкарбаминовой кислоты изопропиловый эфир [42, 43]. По спектру антистрессового действия и охвату различных культур оксикарбам уступает картолину.

В первую очередь он оказался весьма эффективен на зерновых культурах. Для ярового ячменя, пшеницы и ржи наиболее эффективно применение оксикарбама в фазу конец кущения - начало трубкования в дозе 100-150г/га. Для яровой пшеницы рекомендуется его совместное применение с хлорхолинхлоридом. Другим способом применения оксикарбама является инкрустация семян в сочетании с протравителями в дозе 50-100г на тонну. Несомненным преимуществом этого препарата перед картолином, особенно в случае применения на зерновых, была доступность полупродуктов и простота его получения, а также то, что оксикарбам хорошо растворим в воде, что упрощает проблемы с разработкой и производством его препаративной формы. Препарат успешно прошел широкие производственные испытания в условиях Зап. Сибири и Поволжья, РХТУ им. Д.И. Менделеева провело необходимые разработки и подготовило документацию для его производства, оксикабам был включен в список препаратов разрешенных для применения в сельском хозяйстве.

К сожалению развитие работ по антистрессовым препаратам столь необходимым для регионов с рискованными условиями земледелия, к которым относится практически вся территория России, было прекращено с развалом СССР, их основной производитель Навоийский электрохимический завод оказался за рубежом, а разработчики без финансирования. Из-за отсутствия средств, прекратилась регистрация и патентование. В условиях современной России реальное возрождение этих работ вряд ли возможно, однако в последние годы к ним проявляет интерес ряд промышленно развитых стран, в первую очередь Китай.