На современном этапе интенсивного растениеводства решение проблемы повышения устойчивости хлебных злаков к неблагоприятным факторам внешней среды является актуальной задачей аграрной науки и требует особого внимания для нашей республики, имеющей неустойчивый климат с резкой сменой сухих и жарких периодов на сырые и холодные.

Эта проблема в последнее время усугубляется еще одним стрессовым фактором — засухой, которая наблюдается все чаще и чаще. Если ранее (30—50 лет назад) она отмечалась примерно один раз в десятилетие, то в последние годы наблюдалась в 1994, 1998, 1999, 2002 и 2005 гг. Ожидается, что в связи с глобальным потеплением климата такая тенденция будет только усиливаться. Отсюда следует необходимость поиска приемов, обеспечивающих эффективность сельскохозяйственного производства в засушливые годы. Одно из основных условий повышения засухоустойчивости — формирование ксероморфной структуры растений. Известно, что особенно важным для обеспечения потенциала зерновой продуктивности злаковых культур является период интенсивного роста, поэтому формирование у растений на ранних этапах онтогенеза структуры, близкой к ксероморфной, позволяет существенно снизить влияние засухи на их зерновую продуктивность. Наиболее перспективный и технологически действенный способ решения данной проблемы — разработка приемов предпосевной обработки семян комплексными составами, индуцирующими адаптацию растений уже в период прорастания и развития зародыша. Такие приемы в значительной степени контролируют у них успешность прохождения последующих этапов онтогенеза [1]. Технология предпосевной обработки семян пленкообразующими составами, позволяющими включать биологически активные вещества, является неотъемлемой частью современной стратегии интенсивной системы земледелия [2].
Регион Беларуси исторически считался зоной выращивания «серых хлебов», пшеница возделывалась на небольших площадях и давала низкие урожаи зерна. В последние годы проблема самообеспечения республики продовольственным зерном пшеницы решается за счет расширения посевов под культурой, повышения урожайности на основе ресурсосберегающей технологии, создания и внедрения новых сортов. Благодаря успехам селекционеров и применению прогрессивных технологических приемов в настоящее время площади под культурой составляют 400 тыс. га, а валовый сбор зерна по хозяйствам агропромышленного комплекса уже достиг 1,2—1,3 млн. т, в том числе 400—500 тыс. т продовольственного [3]. Многолетние теоретические и экспериментальные разработки послужили основой создания системы сортов озимой и яровой пшеницы для разного уровня плодородия почв, обладающих высокой продуктивностью и экологической стабильностью. Одновременно развернута система первичного семеноводства и ведется разработка адаптивной технологии возделывания, одним из важнейших элементов которой является применение для предпосевной обработки семян защитно-стимулирующих составов (ЗСС), что будет способствовать реализации генетически запрограммированной зерновой продуктивности в изменяющихся условиях внешней среды.
Особый интерес в этом плане вызывают новые полимерные пленкообразователи. К их числу относится сополимер натриевой соли акриловой кислоты с акриламидом, разработанный в НИИ физико-химических проблем Белгосуниверситета. В сельскохозяйственной практике он известен как препарат «Гисинар» [4]. Это полиэлектролитный гидрогель, поглощающий воду в объемах, в тысячи раз превышающих его объем в сухом виде [5]. Как показано в опытах на яровом ячмене, предпосевная обработка семян «Гисинаром» индуцирует повышение их устойчивости к недостатку влаги, так как первые этапы прорастания протекают в условиях повышенного осмотического давления среды, что вызывает в зародыше, а в последующем и в растении ксерофитизацию [6]. Такая технология позволила получить на яровом ячмене сорта Прима Белоруссии прибавку урожая до 15—20% в неустойчивых погодных условиях. Индукция стрессоустойчивости легко интегрируется с другими процедурами предпосевной обработки семян.
Для повышения общей устойчивости и продуктивности растений пшеницы нами был использован комплексный препарат «Инкор», разработанный в НИИ физико-химических проблем Белгосуниверситета и состоящий из полимера «Гисинар», гидрогумата и микроэлементов [2]. Гидрогумат натрия относится к биологически активным препаратам гуминовой природы и представляет собой продукт гидролитической деструкции торфа [7]. Ранее нами показано, что включение гидрогумата в состав инкрустирующих смесей стимулирует рост и развитие ярового ячменя, способствует формированию активного аппарата фотосинтеза и повышению зерновой продуктивности растений [8]. Возделывание новых сортов зерновых культур по интенсивным технологиям сопровождается большим выносом микроэлементов из почвы. Кроме того, в настоящее время считается доказанным, что в стрессовых условиях образуются активные формы кислорода (АФК), которые оказывают деструктивное действие на мембранные системы растительной клетки. Для контроля над уровнем АФК в растительных организмах имеются защитные системы, получившие название антиоксидантных, компонентами которых являются низкомолекулярные соединения и специфические ферменты [9], которые содержат микроэлементы. В связи с этим для стабилизации урожайности сельхозкультур требуется дополнительное внесение микроэлементов. В пленкообразующие составы, как правило, вводятся такие микроэлементы, как цинк, бор, молибден, кобальт, железо [2].
Еще один способ повышения общей устойчивости злаковых растений в посевах — применение высокоэффективных комплексных препаратов типа «Сейбит», разрабатываемых одноименным научным агропромышленным предприятием Гомеля. Препарат «Сейбит П», предназначенный для предпосевной обработки семян, состоит из четырех компонентов: полимера (мочевино-формальдегидной смолы), регулятора роста (гидрогумина), комплекса микроэлементов и жидких комплексных удобрений [2]. Все компоненты обладают усиливающим эффектом, что способствует формированию более высокой урожайности растений [10].
Для повышения результативности комплексных препаратов в условиях засухи специалистами НАВОДО «Сейбит» созданы модификации стандартного препарата «Сейбит П»: «Сейбит П1», содержащий регулятор роста кремнийорганической природы; «Сейбит П2» с добавлением микроэлемента железа; «Сейбит П3», включающий регулятор роста кремнийорганической природы и ионы железа. В НИИ физико-химических проблем Белгосуниверситета разработаны два препарата — «Инкор 2», содержащий химически модифицированный полимер «Гисинар» с повышенной водоудерживающей способностью, а также «Инкор 7», дополненный комплексом микроэлементов в хелатной форме. Для защиты от болезней в ЗСС нами был включен фунгицид «Раксил» (в стандартной дозе 1,5 кг/ т семян) либо «Байтан-универсал» (в стандартной дозе 2 кг/ т семян). Высокая активность модифицированных препаратов была установлена в Институте биофизики и клеточной инженерии в модельных экспериментах на проростках яровой и озимой пшеницы, выращенных в условиях обезвоживания на растворе полиэтиленгликоля [11, 12].
Далее эффективность использования препаратов «Инкор» и «Сейбит П» для повышения засухоустойчивости пшеницы была изучена в вегетационных опытах в тепличном комплексе НПЦ НАН Беларуси по земледелию. Яровую пшеницу Ростань выращивали в сосудах в почвенной культуре. В контроле содержание воды в почве составляло 60% от полной влагоемкости. Засуху создавали в период кущения — колошения на уровне 30% от полной влагоемкости почвы, ежедневно контролируя количество воды в сосудах весовым методом.
Обработка семян стандартным фунгицидом «Раксил» не предотвращала угнетения роста и развития растений пшеницы в условиях засухи. На стадии цветения отмечались отставание по росту, снижение количества зеленых листьев в пересчете на одно растение, повышение относительного количества желтых и сухих листьев, снижение массы стебля и общей сырой биомассы растения (табл. 1, рис. 1). Разработанные ЗСС оказывали защитное действие на рост и развитие растений пшеницы, повышая эти показатели в условиях засухи. Наиболее выраженный эффект наблюдался при использовании составов «Инкор 2» и «Сейбит П2».
Известно, что органы транспирации — листья — отличаются значительной пластичностью анатомической структуры. В литературе описаны изменения в анатомическом строении листьев верхних ярусов, связанные с их удаленностью от уровня почвы: уменьшение размеров клеток, увеличение количества устьиц и сокращение их размеров, повышение количества волосков и густоты проводящих пучков в пересчете на единицу поверхности, усиление развития палисадной ткани. Все эти признаки характеризуют ксероморфизм, то есть образование структур, связанных с повышением засухоустойчивости листьев верхних ярусов [13].
Модифицированные препараты «Инкор» и «Сейбит П» способствовали изменению анатомического строения подфлагового листа растений пшеницы — увеличению количества клеток мезофилла в пересчете на единицу его площади и уменьшению их размеров до 22% по сравнению со стандартом в условиях нормального полива и при засухе (рис. 2). В фазу налива зерна уменьшение размеров клеток мезофилла подфлагового листа пшеницы еще более усиливалось, что свидетельствует о формировании под действием модифицированных препаратов одного из признаков ксероморфной структуры листового аппарата — мелкоклеточности. При использовании новых ЗСС наблюдалась также четкая реакция устьиц, направленная на ограничение водных потерь у растений пшеницы в условиях засухи. На стадии цветения отмечена тенденция к увеличению количества устьиц в пересчете на единицу площади подфлагового листа, а на стадии налива зерна оно достигало 18% по сравнению с контролем, где производили нормальный полив (рис. 3). В литературе указывается, что данный феномен не связан с абсолютным ростом числа устьиц, а объясняется изменением геометрии поверхности листа, которая при засухе уплотняется и деформируется [14]. Новые ЗСС вызывали изменение апертуры устьиц в условиях почвенной засухи: их длина на стадии цветения уменьшилась на 3—12%, ширина — на 6—25% по сравнению с контролем, причем на стадии налива зерна эти изменения существенно усиливались. Обнаруженные эффекты указывают на развитие признаков ксероморфной структуры листьев под действием модифицированных препаратов «Инкор» и «Сейбит П» при недостаточном водоснабжении.
Определение активности перекисного окисления липидов (ПОЛ) по содержанию стабильных ТБК-продуктов на стадии цветения показало усиление деструктивных процессов в подфлаговом листе растений пшеницы при искусственной засухе («Раксил», полная доза), тогда как в остальных случаях активность процессов ПОЛ была ниже стандарта, а при использовании «Инкор 7», «Сейбит П1» и «Сейбит П3» — даже ниже контроля (рис. 4). Полученные данные свидетельствуют о защитном действии большинства разработанных составов на состояние мембранных липидов в клетках листа при недостатке почвенной влаги и могут служить основой для разработки методов ранней диагностики развития деструктивных процессов в листовых тканях в условиях стресса [12].
Анализ зерновой продуктивности (табл. 2) свидетельствует о весьма негативном влиянии длительной почвенной засухи на формирование урожая зерна растений пшеницы: при стандартной обработке семян протравителем «Раксил» он в пересчете на 1 сосуд в условиях засухи снизился вдвое по сравнению с контролем, где применялся нормальный полив. Использование новых ЗСС позволило сократить эти потери до 20—30%. Наиболее активным при засухе оказался состав «Инкор 2», эффективность действия остальных ЗСС в подобных условиях была примерно одинакова. Высота растений при недостатке влаги снизилась до 20 см по сравнению с контролем. Однако составы на основе препарата «Инкор», а также «Сейбит П1» и «Сейбит П2» способствовали повышению количества растений, сформировавших урожай зерна, увеличению их зерновой продуктивности и массы 1000 зерен.
Полевые исследования проводили на экспериментальной базе НПЦ по земледелию НАН Беларуси (д. Высокие Ляды, Смолевичский р-н) в течение 2004—2006 гг. на яровой пшенице Ростань и озимой пшенице Каравай, общая площадь одного варианта опыта составляла 100 м2. Применение ЗСС стимулировало накопление сырой биомассы растений яровой и озимой пшеницы в 1,4—1,8 раза за счет повышения количества боковых стеблей, увеличения сырой биомассы листьев и побегов в пересчете на 1 растение.
Среди факторов, от которых зависит общая продуктивность и урожайность посевов, фотосинтезу, составляющему основу метаболизма зеленого растения, принадлежит ведущая роль [11, 12]. При использовании новых составов наблюдалось увеличение содержания хлорофилла и каротиноидов в листьях и стеблях, что повышало общее наличие хлорофилловых пигментов и каротиноидов в пересчете на 1 растение в 1,6—2,1 раза по сравнению с контролем.
Оценка зерновой продуктивности посевов показала значительное повышение сбора урожая зерна под действием модифицированных составов «Инкор» и «Сейбит П» как на озимой, так и на яровой пшенице. При этом прибавки урожая зерна на озимой пшенице достигали в отдельных случаях 10—12 ц/га, а на яровой пшенице — 6—7 ц/га относительно стандартной технологии обработки семян протравителем «Байтан-универсал». Анализ структуры урожая позволяет сделать вывод, что зерновая продуктивность повысилась в результате увеличения количества растений в единице площади посевов, повышения продуктивности единичного растения за счет роста продуктивной кустистости и массы колосьев. Масса 1000 зерен при этом практически не изменялась.
На основе полученных результатов разработана адаптивная технология возделывания озимой пшеницы, обеспечивающая урожайность на уровне интенсивной технологии (45—50 ц/га), включающая все присущие интенсивной технологии приемы и отличающаяся использованием для обработки семян перед посевом состава, содержащего модифицированный препарат «Сейбит П3» и протравитель «Байтан-универсал» в полной дозе (2 кг/ т семян). Разработана также адаптивная технология возделывания яровой пшеницы, отличающаяся использованием для обработки семян перед посевом состава, содержащего модифицированный препарат «Инкор 7» с комплексом микроэлементов в хелатной форме и протравитель «Раксил» в полной дозе (1,5 кг/ т семян), которая обеспечивает урожайность на уровне интенсивной технологии (45—50 ц/га). Оценка новых технологий в сравнении с базовой свидетельствует о высоких показателях ресурсосбережения, уровня интенсификации и экономической эффективности в пересчете на 1 га посева и на 1 ц произведенного зерна. Разработанные технологии возделывания озимой и яровой пшеницы с 2007 г. успешно внедряются в практику хозяйств агропромышленного комплекса республики.