Влияние сложного компоста на анатомическую структуру стебля озимой пшеницы

Введение. Одним из способов сохранения плодородия почвы в земледелии является применение сложных органоминеральных компостов, составленных в том числе на основе отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производств.

К таким отходам относятся отходы животноводства (навоз КРС, птичий помёт), бытовые (осадки сточных вод), а также отходы промышленных производств (например, фосфогипс - крупнотоннажный отход производства фосфорных удобрений). Ряд авторов отмечают, что внесение в почву органоминеральных смесей на основе навоза и фосфогипса оказывает благоприятное влияние на развитие, продуктивность и качественные показатели озимой пшеницы, кукурузы, сахарной свёклы и других сельхозкультур (Муравьёв, 2008; Белюченко и др.; 2009, Мельник, 2012; Славго-родская, 2012).

При составлении сложных компостов используют различные компоненты в соотношении примерно 10% органических, 20% активных минеральных и до 70 % нейтральных или долго разлагающихся (опилки, пустые кукурузные початки, рисовая шелуха и т.п.). Внесение таких компостов в верхний почвенный слой приводит к усилению его инфильтрации, активному обогащению живыми организмами, улучшению водно-воздушного режима (Белюченко, 2012).

Одним из интереснейших, но пока ещё мало изученных является вопрос о влиянии вносимых в почву добавок на внутреннюю структуру растений. Проведённый нами анализ литературных источников показал, что в основном приводятся данные об изменениях анатомии листьев, в меньшей степени - стеблей и корней.

При изучении изменений анатомической структуры указывается на их неспецифический характер - нарастание ксероморфных признаков. Слабо освещён вопрос о связи подобных изменений с систематической принадлежностью растений и практически отсутствуют данные о зависимости вида и количества действующих веществ на проявление того или иного признака анатомической структуры.

В то же время подобная информация может представлять определённый интерес в связи с выращиванием сельскохозяйственных растений и их последующим использованием в пищу, на корм скоту или при заделке пожнивных остатков в почву (Скрипка, 2012).

Анатомическое строение стебля пшеницы. Стебель пшеницы характеризуется первичным анатомическим строением. Он имеет выполненную периферическую часть и полость-лакуну в центре. Периферическая часть образована эпидермисом, слабо выделяющимся на фоне склеренхимы, первичной корой и центральным цилиндром. Последний состоит из закрытых проводящих пучков, периферического кольца механической ткани (склеренхимы) и запасающей паренхимы (Лазаревич, 1999).

В первичной коре отмечены островки хлоренхимы, наиболее крупные в подко-лосовом междоузлии. В ниже расположенных междоузлиях они становятся меньше, а в нижней части стебля плохо развиты или вообще отсутствуют. Между островками хлоренхимы находятся периферические закрытые коллатеральные сосудисто-волокнистые пучки овальной формы - проводящие пучки первичной коры (ПППк), или малые проводящие пучки. Островки хлоренхимы и проводящие пучки отделены от ткани центрального цилиндра сплошным кольцом склеренхимы. Клетки склеренхимы пропитаны лигнином, в результате чего увеличивается прочность механической ткани и самой соломины (там же).

В состав центрального цилиндра входят проводящие пучки паренхимы (ПППх), более крупные чем пучки первичной коры и состоящие из эндархной ксилемы и эк-зархной флоэмы. От окружающей их сердцевинной паренхимы они отделены скле-ренхимной обкладкой, придающей стеблю дополнительную устойчивость. Ряд авторов указывает на прямую связь между прочностью стебля и такими параметрами анатомической структуры, как толщина стенки соломины, мощность механической ткани, количество сосудисто-волокнистых пучков и их размер, степень одревеснения оболочек клеток и других. (Москалева, 1987; Дорохов, Астахова, 2001 и др.).

Отмечена сильная вариабельность признаков анатомической структуры пшеницы в зависимости от условий её произрастания. Так, при разреженном посеве и достаточном увлажнении почвы количество сосудисто-волокнистых пучков увеличивается, а при недостатке влаги, даже на разреженных посевах, - уменьшается (Овес-нов, 2000). Проводящие пучки первичной коры менее развиты по сравнению с пучками паренхимы и играют второстепенную роль в транспорте веществ по стеблю. Важнейшую роль в опорной функции стебля принадлежит периферическому кольцу склеренхимы, увеличивающему свою мощность в нижних междоузлиях (Лазаревич,1999).

Важнейшую роль в формировании урожая зерна играет именно проводящая система стебля, снабжающая колос ассимилятами. Поэтому изучение архитектоники колосонесущей части стебля пшеницы представляется актуальной задачей современных исследований и анатомическим методам в решении этой задачи должна быть отведена не последняя роль (Скрипка, 2012).

Целью нашего исследования стало выявление изменений в анатомическом строении стебля озимой пшеницы в связи с применением при её выращивании сложных компостов, составленных на основе отходов быта, промышленности и сельскохозяйственного производства.

Материалы и методы исследований. Осенью 2009 г в Ботаническом саду КубГАУ был заложен вегетационный опыт по выращиванию озимой пшеницы сорта Фортуна. Растения выращивались в сосудах, куда вносились по вариантам: 1) перепревший навоз (50 г/кг); 2) перепревший навоз (50 г/кг) + фосфогипс (5 г/кг); 3) куриный помёт (15 г/кг); 4) куриный помёт (15 г/кг) + фосфогипс (30 г/кг); 5) осадки сточных вод (360 г/кг); 6) минеральные удобрения N и P (из расчёта 60 кг/га по N); 7) мазут + фосфогипс (в соотношении 1:1); 8) почва (контроль). Количество почвы в каждом сосуде составило 6 кг. Повторность десятикратная.

В последующие 3 года (2010, 2011 и 2012) изучалось последействие смесей по упомянутым выше вариантам. Осенью 2011 г. в сосуды было высеяно по 5 семян озимой пшеницы сорта Фортуна. После появления всходов и вступления в фазу кущения в каждом сосуде оставляли по 3 растения.

В фазу цветения (начало июня 2012 г.) с каждого варианта опыта нами было отобрано по 5 растений, т.е. всего 40 растений с восьми вариантов опыта, включая контроль. С каждого растения брался главный побег, который делился на междоузлия. Для исследований отбирались подколосовые междоузлия, поскольку в литературе нами были встречены сведения о закономерном изменении анатомических показателей от колосонесущего к нижнему междоузлию (Кислицкая, 2003).

При изучении анатомических особенностей стебля озимой пшеницы за основу была взята методика оценки уровня развития проводящей системы колосонесущего междоузлия озимой пшеницы Всероссийского научно-исследовательского института зерновых культур им. И.Г. Калиненко (Ионова, 2011).

Подколосовые междоузлия делились на фрагменты длиной 4-5 см, помещались в стеклянные банки, фиксировались смесью 96% спирта и глицерина (1:3), закупоривались крышками и хранились в тёмном прохладном месте. Анатомические препараты изготавливались из 5-6 поперечных срезов стебля каждого растения. Общее количество срезов по каждому варианту, таким образом, составило 25-30 шт.

Срезы выполнялись вручную с помощью опасной бритвы. Окрашивания не проводилось. Обезвоживание срезов осуществлялось дополнительным выдерживанием в 96% спирте. После этого срезы микроскопировали, подсчитывали количество проводящих пучков, с помощью окуляр-микрометра определяли диаметр проводящих пучков, толщину коры и толщину соломины. Анализируемые анатомические признаки стебля пшеницы показаны на рисунке 1.

Полученные данные заносились в таблицы и анализировались. Статистическая обработка результатов проводилась с использованием электронных таблиц EXCEL и пакета прикладных программ STATISTICA 6. Достоверность различий значений показателей в сопоставляемых группах оценивалась по t-критерию Стьюдента на 5% уровне значимости.

Результаты исследований и их обсуждение. Результаты наших исследований выявили некоторое варьирование параметров анатомической структуры стебля пшеницы в различных вариантах опыта по применению сложных компостов при её выращивании.

Сначала проанализируем анатомические показатели, характеризующие первичную кору. Различие в среднем количестве малых проводящих пучков первичной коры (далее ПППк) во всех вариантах оказалось несущественным. Максимальной (2021 шт) оно было в вариантах «почва + куриный помёт + фосфогипс», «мазут + фосфогипс», «почва + осадки сточных вод», а также контрольном. В остальных вариантах этот показатель составил 18-19 шт (табл. 1). Можно считать, что использование сложных компостов на количество ПППк, в целом, повлияло незначительно.

*Примечание: коэффициент вариации V является показателем изменчивости признака. При величине V до 10% изменчивость оценивается как слабая, от 11 до 25 % - средняя и более 25 % - сильная (Попок, 2012). В данном случае изменчивость признаков анатомического строения в разных вариантах опыта можно оценить как слабую и среднюю, что указывает на относительную однородность выборки.

"Примечание: в последнем столбце приводится результат парного двухвыборочного 1-теста для средних значений данного варианта опыта и контроля. При 1;-стат.< 0 значение признака в варианте больше контрольного, при 1-стат. > 0 - меньше, чем на контроле. При | 1;-стат.| >1;-критич. (=1.71) - различие варианта и контроля достоверно. При | 1;-стат.| <1;-критич. достоверность различия между опытом и контролем отсутствует (там же).

Изменения другого анализируемого показателя - диаметра ПППк - были значительнее. Во всех вариантах вегетационного опыта малые проводящие пучки были слабо выражены, имели незначительные диаметры сосудов ксилемы и практически не выделялись на фоне клеток сплошного склеренхимного кольца.

Минимальным значение данного показателя было в вариантах «почва + минеральные удобрения» и «почва + куриный помёт» - 29-30 мкм. Несколько большим он был в вариантах «почва + куриный помёт + фосфогипс», а также «почва + мазут + фосфогипс»: 32-33 и 34-35 мкм соответственно. В варианте «почва + осадки сточных вод» величина диаметра ПППк составила 42-43 мкм, как и на контроле (табл. 2).

Можно предположить, что на степень проявления данного признака повлияла ранняя фаза (цветение), в которую был заготовлен материал, вследствие чего пучки попросту не успели сформироваться.

Однако, статистический анализ (г-тест)данных по двум первым вариантами контролю показал наличие самой большой достоверной разницы. В вариантах «почва + навоз» и «почва + навоз + фосфогипс» в одной фазе развития, размер ПППк по сравнению с контролем отличался в 1,5-1,6 раза в большую сторону и составил 67-68 мкм (табл. 2). Это позволяет сделать предварительный вывод о положительном влиянии внесения перепревшего навоза и фосфогипса на рост и развитие растений озимой пшеницы через изменение диаметра проводящих пучков первичной коры стеблей.

В целом проводящая система первичной коры в наших исследованиях имеет относительно невысокие показатели по сравнению с литературными данными для озимой пшеницы (Дорофеев, Градчанинова, 1971; Дорохов, Астахова, 2001; Кислиц-кая, 2003). Это можно объяснить, с одной стороны, особенностями климатических условий 2012 года, который охарактеризовался медленным нарастанием положительных температур и поздними весенними заморозками, а с другой стороны, условиями вегетационного опыта, отличающимися от полевых. Окончательный вывод можно будет сделать после проведения подобных исследований на полях севооборотов.

На толщину первичной коры в поперечном сечении влияет как размер малых проводящих пучков, так и толщина периферического кольца склеренхимы. Склерен-химное кольцо хорошо идентифицируется и без проведения окрашивания: в наших исследованиях оно имело вид 4-5 рядов плотно расположенных мелких прозенхим-ных клеток с сильно утолщёнными стенками. Причём при увеличении толщины первичной коры визуально менялась именно толщина клеточных стенок, тогда как количество рядов клеток оставалось прежним.

Наименьшие значения толщины первичной коры были отмечены на контроле, а также в вариантах «почва + минеральные удобрения», «почва + мазут + фосфогипс» -29-30 мкм. Также небольшой толщина первичной коры была в вариантах «почва + куриный помёт» и «почва + куриный помёт + фосфогипс» - 30-31 мкм. Чуть мощнее первичная кора отмечена в варианте «почва + осадки сточных вод» - 40 мкм. Следует отметить, что на общем фоне явно выделяются варианты «почва + навоз» и «почва + навоз + фосфогипс»: толщина первичной коры в них составила 58 и 59 мкм соответственно. Как и в случае размера проводящих пучков первичной коры, проведённый нами парный двухвыборочный г-тест для средних значений показал наибольшее достоверное различие этих двух вариантов и контрольного (табл. 3). Хочется отметить, что для данных вариантов изготавливать срезы оказалось труднее всего - именно вследствие большой жёсткости стеблей.

Предварительно можно предположить, что внесение сложных компостов, в частности на основе перепревшего навоза и фосфогипса, увеличивает мощность первичной коры главным образом за счёт увеличения размера малых проводящих пучков и толщины периферического кольца склеренхимы. Это, несомненно, сказывается на устойчивости побегов пшеницы к полеганию и способствует формированию выполненных семян в колосе.

По мнению ряда авторов (Батоев, 1991; Дорохов, Астахова, 2001; Лазаревич, 1999) при оценке качеств озимой пшеницы с анатомической точки зрения наиболее показательной является степень развития проводящей системы именно центрального цилиндра. Он представлен массой клеток основной паренхимной ткани с беспорядочно расположенными большими проводящими пучками (далее ППпх).

Минимальным количество ППпх было в варианте «почва + минеральные удобрения» - 21-22 шт, чуть выше - в вариантах «почва + мазут + фосфогипс» и контрольном - 25-26 шт. Среднего значения этот показатель достиг в вариантах «почва + куриный помёт + фосфогипс» - 28-29 шт., «почва + осадки сточных вод» - 29-30 шт. Наибольшее количество ППпх нами было отмечено в вариантах «почва + навоз + фосфогипс» - 30 шт., «почва + куриный помёт» - 31 шт. и «почва + навоз + фосфогипс» - 32 шт. (табл. 4). Результаты статистического анализа (г-тест для средних значений) показали, что различие этих вариантов и контрольного достоверно.

Анализируя данные таблицы, можно предположить, что внесение компостов, в данном случае на основе перепревшего навоза, фосфогипса, а также куриного помёта, улучшает физико-химические показатели почвы, а через них - условия питания растений и, как следствие, количество элементов проводящей системы, доставляющих это питание к колосьям.

Размер ППпх изменялся в сторону постепенного уменьшения их диаметра в вариантах вегетационного опыта по сравнению с контролем. Так, для контроля он составил 100-101 мкм. Далее следовали варианты «почва + мазут + фосфогипс» - 98 мкм, «почва + минеральные удобрения» - 94 мкм, «почва + навоз + фосфогипс» и «почва + навоз» - 92-94 мкм, «почва + осадки сточных вод»- 86 мкм. Минимальным значение этого показателя было в обоих вариантах с использованием куриного помёта - 83 мкм (табл. 5).

Уменьшение диаметра проводящего пучка, несомненно, неблагоприятный признак с точки зрения условий питания растения. Однако если провести сопоставление количества ППпх с их размером, то здесь явно прослеживается закономерность: чем крупнее проводящие пучки, тем их меньше, и, наоборот, уменьшение диаметра проводящих элементов компенсируется ростом их числа. Разумеется, чтобы удостовериться в этом, необходимо провести детальную сравнительную оценку степени развития проводящей системы в каждом варианте, что станет целью наших последующих работ в этом направлении. Помимо этого, при оценке размеров ППпх необходимо различать собственно сосуды ксилемы и флоэмы и склеренхимную обкладку, поскольку утолщение пучка за счёт последней может быть всего лишь следствием общей ксерофитизации структуры в неблагоприятных условиях произрастания (применение, по сути, чужеродных химических смеси - отходов).

Анатомической особенностью проводящей системы стебля озимой пшеницы в вариантах, «почва + навоз + фосфогипс» и «почва + куриный помёт» стало парное расположение отдельных больших проводящих пучков (рис. 2). Возможно, это одно из проявлений так называемого «пальмового» типа строения с хаотическим расположением элементов проводящей системы, а возможно - следствие использования ком-постов. Пока же мы лишь в общем утверждаем, что применение сложных компостов отражается на степени развития проводящей системы стеблей озимой пшеницы, закономерно изменяя условия снабжения колосьев питательными элементами.

1 - эпидермис; 2 - хлоренхима; 3 - склеренхима; 4 - проводящие пучки первичной коры; 5 - проводящие пучки паренхимы; 6 - паренхима.

Анализ изменения толщины стенки соломины побегов озимой пшеницы показал, что минимальной она была в вариантах «почва + куриный помёт» и «почва + куриный помёт + фосфогипс» - 339-340 мкм. Чуть толще стенка соломины была в варианте «почва + мазут + фосфогипс» - 347 мкм Средние значения этот показатель принимает в вариантах «почва + минеральные удобрения» и контрольном - 373-375 мкм, а также в вариантах «почва + навоз» и «почва + навоз + фосфогипс» - 389-390 мкм. В варианте «почва + осадки сточных вод» толщина стенки соломины значительно отличалась от всех остальных и составила 474-475 мкм (табл. 6).

Толщина стенки соломины, безусловно является положительным признаком, свидетельствующим об устойчивости побегов к полеганию. Но, на наш взгляд, не стоит делать скорых однозначных выводов о связи данного признака с составом вносимых компостов, поскольку разная толщина соломины может оказаться просто погрешностью ручного изготовления срезов.

Выводы. В проведённых нами исследованиях была отмечена вариабельность параметров анатомической структуры стебля озимой пшеницы в различных вариантах опыта по применению сложных компостов, а именно:

• • применение сложных компостов в целом незначительно повлияло на количество проводящих пучков первичной коры: в большинстве вариантов вегетационного опыта малые проводящие пучки были слабо выражены, сосуды ксилемы в них имели незначительный диаметр, а сами пучки практически не выделялись на фоне клеток сплошного склеренхимного кольца;
• • внесение компостов на основе перепревшего навоза и фосфогипса способствует увеличению размера малых проводящих пучков и толщины периферического кольца склеренхимы, за счёт чего увеличивается мощность первичной коры; в конечном итоге это сказывается на устойчивости побегов пшеницы к полеганию и способствует формированию выполненных семян в колосе;
• • применение сложных компостов на основе перепревшего навоза, фосфо-гипса, а также куриного помёта приводят к увеличению числа элементов проводящей системы центрального цилиндра и, как следствие, улучшению условий питания растений;
• • увеличение количества больших проводящих пучков сопровождается некоторым уменьшением их диаметра, вследствие чего необходимы более детальные исследования степени развития проводящей системы стебля озимой пшеницы в разных вариантах опыта;
• • толщина стенки соломины в вариантах «почва + навоз» и «почва + навоз + фосфогипс» имела значение выше среднего, но для окончательных выводов о связи этого признака с внесением компостов определённого состава необходимы дальнейшие исследования.