Кремниевые удобрения для растений

Обновлено: 05.10.2024

Когда мы задумываемся о подкормках для рассады, то на ум сразу приходят основные элементы питания: азот, калий, фосфор. Еще магний, кальций, железо можно добавить. А вот о роли кремния в питании растений мало кто знает, хотя это очень распространенный и важный элемент.

Кремний имеет огромное значение в жизни всех живых существ. Он укрепляет кости, стенки сосудов, входит в состав соединительной ткани, поддерживает защитные функции организма, играет важную роль в обмене веществ. Основным источником кремния выступают растения, где его содержание значительно выше, чем в организме животных.

Кремний присутствует практически во всех продуктах растительного происхождения: в злаковых (пшеница, рожь, овес, просо, рис), бобах, орехах, листовых овощах, в томатах, огурцах, редисе, свекле, картофеле, изюме, но чемпионами по содержанию кремния являются топинамбур и лук. Большое количество кремния обнаружено именно в оболочках зерна, овощей, фруктов, в стеблях и листьях.

Растения с высоким содержанием кремния меньше подвержены болезням и нападению вредителей, более устойчивы к неблагоприятным погодным условиям. Почему так происходит? Дело в том, что кремний укрепляет ткани растений, и они уже на механическом уровне способны себя защитить. Если растения получают достаточно кремния, то вместе с этим они лучше усваивают и другие элементы питания (бор, фосфор, калий), становятся крепкими, стрессоустойчивыми, меньше страдают от вредного воздействия солей и пестицидов.

Итак, кремний выполняет очень важные функции:

улучшает фосфорное питание растений,
нормализует кислотность почвы,
нейтрализует вредное действие тяжелых металлов на растения,
активизирует процессы фотосинтеза,
стимулирует корнеобразование и цветение,
увеличивает толщину листовой пластинки и ее прочность,
укрепляет иммунитет растений,
повышает пищевую ценность плодов.

Стоит ли вносить кремний в почву

В природе кремний встречается повсюду и составляет почти треть массы земной коры. Поэтому некоторые считают, что в почву этот элемент питания вносить не нужно: растения смогут добыть его сами. Однако чаще всего кремний находится в недоступной для растений форме. Далеко не все растения обладают одинаковой способностью переводить нерастворимые почвенные силикаты в растворимую форму (такой способностью обладают, в большей мере, зерновые культуры: просо, рис, овес, ячмень, рожь). К тому же с урожаем из земли каждый год выносится большое количество аморфного кремния, и почва катастрофически беднеет.

Неструктурированная пылевидная почва говорит о том, что кремния там не хватает.

Помочь своим зеленым питомцам мы можем, если будем регулярно вносить на грядки минеральные удобрения с кремнием, древесную золу, органические удобрения (компост, биогумус, листовой перегной). Поскольку кремний накапливается в зеленых частях растений, полезно в течение сезона поливать огород настоями трав: крапивы, одуванчика, полыни, хвоща – в тканях этих сорняков содержится большое количество кремния в биологически пригодной форме. В Китае, например, еще в глубокой древности добавляли в почву рисовую солому – источник кремнезема.

Особенно важно вносить кремний в биодоступной форме в грунт для рассады, поскольку сеянцам в контейнерах этот элемент питания взять абсолютно неоткуда.

Что добавить в грунт для рассады

От состава грунта для выращивания рассады зависит, насколько наши сеянцы будут крепкими и здоровыми, насколько будет развита их корневая система. Что добавить в землю для рассады, чтобы обеспечить полноценное питание растений?

1. Цеолит и диатомит – разрыхлители и улучшители почвы, полезные ископаемые, которые содержат большое количество кремния и являются натуральным сорбентом. Они способны удерживать влагу и растворенные в ней питательные вещества, а затем постепенно отдавать их растениям по мере необходимости. Добавление этих минералов в почву поможет не только улучшить ее структуру и воздухопроницаемость, но и нормализовать кислотность, увеличить биодоступность калия, кальция и магния, снизить содержание подвижных соединений алюминия.

2. Древесная зола. Это ценное комплексное удобрение, которое содержит калий, кальций, фосфор, кремний, железо, магний, серу, бор, марганец и другие элементы питания в доступной для растений форме. Конечно, состав древесной золы зависит от сжигаемого сырья: больше всего кремния в золе, которая остается после сжигания листьев, соломы, коры деревьев, старой древесины. Зола хорошо раскисляет почву, улучшает ее структуру, создает благоприятные условия для жизнедеятельности микроорганизмов, повышает жизнестойкость различных культур.

Зола – не просто несгораемый остаток после горения, но еще и ценное микроудобрение. В нашем материале – все о том, чем полезна зола растениям, как использовать золу в качестве удобрения, как развести золу для подкормки, что такое опрыскивание зольным раствором…

3. Листовой перегной, или листовая земля, – это рыхлый и легкий субстрат, который получается в результате разложения опавших листьев. Чтобы ускорить процесс созревания листового перегноя, можно компостировать листья вместе с сорняками, добавляя биогумус или зрелый компост, поливать настоями трав и растворами ЭМ-препаратов. Готовый листовой перегной содержит кремниевые соединения, основные макроэлементы (азот, фосфор, калий), а еще железо, магний, кальций, целлюлозу, сахара. Благодаря пористой структуре, листовой перегной отлично разрыхляет почву, повышая ее воздухопроницаемость и влагоемкость.

Не знаете, как улучшить структуру почвы? Собирайте опавшие листья и компостируйте их! А мы подскажем, как это сделать правильно.

4. Сапропель. Это донные пресноводные отложения, которые длительное время формируются из отмерших водных растений, остатков живых организмов и частиц почвенного перегноя. Сапропель ценится как концентрированное удобрение, которое используется для улучшения структуры почвы, обогащения ее гумусом, ферментами, витаминами, аминокислотами, минеральными веществами. Хотя состав сапропелевых отложений различается в зависимости от вида водоема, но минеральная часть практически любого сапропеля представлена оксидами кальция и кремния, а также огромным количеством микроэлементов.

6. Песок, который мы часто добавляем в грунт для рассады, выступает не только разрыхлителем, но источником диоксида кремния. Под воздействием почвенных бактерий это вещество превращается монокремниевую кислоту – единственную форму кремния, доступную растениям. Для рассадного грунта лучше всего использовать речной песок. В крайнем случае, можно взять и карьерный песок, который долго лежал под открытым небом и промывался дождевой водой.

Чтобы кремний из песка мог усваиваться корневой системой растений, необходимо обеспечивать благоприятные условия для развития эффективных микроорганизмов, в том числе и силикатных бактерий. Увеличить разнообразие почвенной микрофлоры можно путем добавления биогумуса, бокаши и биопрепаратов, в состав которых входят азотфиксирующие бактерии, сенная палочка, псевдомонады, фосфатмобилизующие и другие полезные бактерии.

Ну и, конечно, увеличить в почве количество кремния, доступного растениям, можно с помощью специальных удобрений: Силиплант, Кремневит, БонаФорте Универсальное и т.д. Важно вносить такие комплексы по инструкции, чтобы не навредить посадкам.

Несомненно, кремний – важнейший элемент жизни. И если мы постараемся обеспечить наши растения полноценным питанием, то получим более качественный урожай, который поможет поддержать наше здоровье.

Несмотря на то что кремний очень распространен в природе (занимает второе место после кислорода), он одновременно один из практически не изученных как в растениях, так и в почве элементов. И интерес к нему со стороны биологов и агрохимиков все возрастает. Впрочем, новое — хорошо забытое старое.

Ученые давно (еще в 1814 году) доказали, что основная функция кремния — формирование и поддержка природной защиты растений от внешних неблагоприятных факторов: загрязнения, болезней (особенно грибковых), насекомых-вредителей, заморозков, дефицита воды и питания. И заложено это в нем на генетическом уровне. Хозяйства, которые используют этот микроэлемент, на 50—70 процентов снижают дозы внесения пестицидов. Кроме того, активные формы кремния ускоряют образование цветков и формирование корневой системы растений, повышают продуктивность и стрессоустойчивость, увеличивают в плодах количество сахаров и витаминов.

В Японии еще в 1955 году на государственном уровне было принято постановление об обязательном внесении его под все культуры. Пристально изучался кремний и в Советском Союзе. Да и сегодня привлекает все больше внимания, поскольку вместе с углеродом формирует плодородие почв, являясь экологически чистой альтернативой пестицидам. К слову, в земной коре на один атом углерода приходится 133 атома кремния.

— Если значение азота, фосфора и калия известно всем, то функцию кремния знают и понимают немногие. А между тем при его дефиците растения развиваются намного хуже. И этот факт подтвержден многочисленными исследованиями, — утверждает Владимир Викторович. — Если азот очень нужен для развития биомассы растений, калий — для их роста, фосфор — для энергии, то основная роль кремния — повышение устойчивости культур к различным стрессам. А поскольку в реальной жизни идеальных условий для роста и развития растений нет и быть не может, то без него не обойтись. Доказано, что у культур, которые обделены кремнием, не образуется защитный слой эпидермиса, предотвращающий грибковые заболевания.

Ученый предположил, что, скорее всего, именно кремниевые удобрения были первыми в истории нашей цивилизации. Расчищая площадки под посевы, древние люди вырубали деревья и сжигали их. По своему химическому составу и воздействию зола есть не что иное, как комплексное кремнийсодержащее удобрение. В древнеримской империи ее использовали для повышения плодородия истощенных земель. Древние египтяне удобряли свои поля илом, в котором почти 80 процентов кремнезема. Более двух тысяч лет назад в Китае золу называли огненным навозом и вносили под пшеницу и бобы, следуя специальному указу императора. Также использовали в Поднебесной и рисовую солому, в составе которой от 4 до 20 процентов диоксида кремния. Одним словом, там, где в почве дефицит этого элемента, хороших урожаев не видать.

Надо сказать, что в природе достаточно культур, богатых кремнием. Их еще называют кремнефилами. Листья и стебли крапивы густо покрыты ломкими железистыми волосками, которые образованы из оксида кремния. Точно такого же, что входит в состав песка.

Очень много кремния в хвоще. При сбраживании зеленой массы он переходит в травяной настой, которым мы и подкармливаем растения. Немало кремния в подорожнике, спорыше, цветках и листьях одуванчика, крапиве, мать-и-мачехе, горце птичьем. Из злаковых к лидерам относятся овес, отруби, коричневый рис, ячмень, просо, кукуруза. Немало кремния и в продуктах, богатых клетчаткой. Есть он в орехах (особенно грецких), а также семенах тыквы и подсолнуха.

Содержание кремния в разных растениях колеблется в пределах 0,3—10 процентов от сухой массы (смотрите таблицу). В то время как для азота, например, этот разброс составляет 0,5—6 процентов, для калия — 0,8—8 процентов, а для фосфора — 0,15—0,5 процента.

Доступный источник органического кремния и зола, полученная от сжигания каменного угля. Правда, она (в отличие от древесной) закисляет почву. Поэтому и вносится из расчета 1 стакан на 1 кв. м.

В природе кремний встречается преимущественно в виде кремнезема (диоксида кремния SiO2) — кварца, песка, входит в состав полевых шпатов, силикатов и алюмосиликатов. На глинистых почвах его от 20 до 35 процентов, на песчаных — 45—49 процентов, но находится он в недоступном для растений состоянии. Песчаные почвы здесь выигрывают. Песок, частично поглощая солнечную энергию, под воздействием корневых выделений различных культур повышает способность кремния переходить в органические соединения. Бесструктурный и пылевидный грунт — верный признак того, что кремния в нем мало.

В Беларуси в Могилевской и Гомельской областях наиболее распространены кремниевые породы (силициты). В них содержится до 25—30 процентов цеолитов, способных удерживать в пахотном слое почвенную влагу и отдавать ее растениям по мере необходимости. Особенно это важно в засушливые годы.

Как и все кремниевые породы, цеолит, обладая пролонгированным по времени действием, эффективно работает до 3—4 лет. Поэтому вносить его в почву можно раз в 2—3 года.

Доказано, что растения выносят кремния больше, чем, к примеру, калия, фосфора и даже азота. Так, картофель с 1 га берет его 50—70 кг, зерновые — от 100 до 300 кг, а сахарный тростник и вовсе до 700 кг. По расчетам ученых, ежегодно в мире безвозвратно вместе с урожаем отчуждается около 270 миллионов тонн кремния. Это приводит к дефициту как самого элемента, так и ухудшению состава почвы, ускоряя ее деградацию.

Владимир Викторович заострил внимание на том, что кремниевые удобрения значительно улучшают структуру грунта и повышают его плодородие. Объясняется это тем, что, обладая высокой адсорбционной способностью, они удерживают в корнеобитаемом слое внесенные минеральные удобрения. А еще (и это доказано) кремниевые удобрения почти на 60 процентов активизируют почвенную биоту, наших невидимых помощников в битве за урожай.

Также они улучшают питание растений фосфором, уменьшая его вымывание и трансформируя из недоступной формы в доступную. Благодаря этому можно на 30—50 процентов сократить дозы дорогих фосфорных удобрений. Снижает кремний и токсичность алюминия, который резко уменьшает урожайность, особенно на кислых почвах.

Использование фосфорных удобрений и пестицидов привело к загрязнению земель опасными для здоровья тяжелыми металлами. И вновь внимание на кремний. Он может как увеличить их подвижность в почве, так и снизить. Оказывается, при внесении небольших доз монокремниевой кислоты растворимость и подвижность тяжелых металлов резко возрастает, а при увеличении дозы, наоборот, снижается.

Опасен кремний и для вредителей. В одном из экспериментов после внекорневой подкормки на капусте резко сократилось количество тли. Почти в три раза уменьшилось заражение грибковыми заболеваниями. А все потому, что основная функция кремния — максимальная поддержка иммунитета растений.

Как оказалось, помогает он противостоять и засухе. Как только растение поглощает этот элемент, большая часть монокремниевой кислоты сразу же переходит в поликремниевую, которая, представляя собой гель, и притягивает воду.

Ученые определили, что один атом кремния может удержать до 100—140 атомов воды. Поэтому при нормальном кремниевом питании растение способно запасать от 6 до 37 г воды на 100 г биомассы. То есть оно вначале запасает воду, а потом отдает ее во время засухи. В результате можно на 50 процентов уменьшить расходы на полив.

Помимо этого, повышается и устойчивость к заморозкам, так как снижается порог кристаллизации воды. В наших нестабильных климатических условиях это сложно переоценить.

Подводя итог, Владимир Матыченков отметил, что основная функция кремния — защита растений и формирование почвенного плодородия. Для весомого урожая этого вполне достаточно!

Кремний позволяет растениям (да и нам с вами) усваивать более 70 микро- и макроэлементов, нормализуя тем самым минеральный баланс.

В 1977 г. в Стокгольме на Нобелевском симпозиуме кремний был провозглашен важнейшим элементом высокоразвитой жизни. Его дефицит — одна из причин старения.

ВЛИЯНИЕ КРЕМНИЯ НА РАСТЕНИЯ

♦ Отлично защищает от любого стресса;

♦ существенно влияет на рост и развитие, не допускает полегания, повышает урожайность и улучшает качество продукции;

♦ увеличивает толщину листовой пластинки, делая ее более устойчивой к фитопатогенам (бактериям и грибкам) и вредителям;

♦ повышает в плодах содержание сахаров;

♦ улучшает усвоение макро- и микроэлементов;

♦ усиливает действие азотных, калийных и фосфорных удобрений;

♦ устраняет токсическое действие железа, марганца, меди, мышьяка, алюминия, стронция-90 и фенолов. При дефиците кремния резко увеличивается накопление в растениях железа и марганца;

♦ повышает солеустойчивость культур: корни становятся более устойчивыми к повреждающему действию натрия;

♦ значительно улучшает структуру почвы и повышает ее плодородие;

♦ нормализует обмен веществ, активизирует фотосинтез, а также синтез белков и углеводов;

♦ повышает активность корневой системы: количество вторичных и третичных корешков увеличивается на 20—100 процентов и более.

Полная перепечатка текста и фотографий запрещена. Частичное цитирование разрешено при наличии гиперссылки.

Монокремниевая кислота относится к категории активных кислот, может взаимодействовать со множеством элементов и, прежде всего, с металлами и металлоидами. Отсюда и возникают ее разнообразные свойства. Внесение кремния и кремниевых удобрений влияет на:

pH почвы;
устойчивость органического вещества;
содержание и подвижность фосфора, алюминия, железа.

В последнее время особое внимание уделяется тяжелым металлам.

Влияние кремния на подвижность фосфора

При внесении активных форм кремния повышается содержание доступного для растений фосфора. Учеными было выдвинуто несколько гипотез.

Согласно гипотезе Аскинази, монокремниевая кислота может вытеснять фосфат анионы из фосфатов кальция, железа или алюминия.

По второй гипотезе установлено, что монокремниевая кислота может инициировать конкурирующую реакцию с катионами кальция, магния, железа и тем самым опосредованно влиять на растворимость фосфатов.

Взяв за основу химические реакции, ученые провели термодинамические расчеты, которые показали, что если в систему кальция, алюминия, железа, магния и фосфата добавить монокремниевую кислоту, то растворимость фосфатов (в части содержания фосфора) резко увеличивается.

Чтобы доказать этот факт, ученые провели исследования в основе которых была карбонатная (с высоким содержанием кальция и калия) почва. Выбор карбонатной почвы был обусловлен тем, что именно калий и кальций фиксируют фосфор и делают его недоступным для растений. Ученые произвели инкубацию с монокремниевой кислотой, с фосфорным удобрением, и со смесью фосфорного удобрения (двойного суперфосфата) с кремниевой кислотой.

После месячной инкубации был определен фракционный состав фосфора в почве.

В 1, 2, 3, 4 фракции, т.е. это фракции, которые обеспечивают фосфорное питание растений, имелось увеличение содержания фосфора в этих фракциях. Во фракции 5, а также в категориях неизвлекаемого фосфора, содержание фосфора резко снизилось.
Таким образом, ученые подтвердили предположение. Помимо термодинамических исследований и инкубационных исследований, были проведены полевые испытания, в ходе которых было доказано, что при внесении кремниевых удобрений резко повышалось фосфорное питание растений.

Взаимодействие кремния и алюминия

Есть масса данных, которые подтверждают, что:

кремний снижает токсичность алюминия для растений, животных, человека;
алюминиевая токсикация является основным фактором снижения урожайности на кислых почвах;
кислые почвы — это результат десиликации почвообразующих пород.

При внесении кремниевых удобрений можно резко снизить активность анионов алюминия путем образования алюмосиликатов.

Кремний и тяжёлые металлы

Использование фосфорных удобрений и пестицидов привело к загрязнению огромных территорий сельскохозяйственных угодий тяжелыми металлами, то есть фактически все почвы Западной Европы, США, Латинской Америки, Китая и Индии загрязнены в той или иной степени тяжелыми металлами, которые оказывают негативное воздействие на жизнь и здоровье людей. В связи с этим возникла необходимость разработки технологии управления тяжелыми металлами в почве.

Если брать за основу разработки теоретические знания, эффектность кремниевой кислоты на подвижность тяжелых металлов в почве двоякая. С одной стороны, монокремниевая кислота может увеличить подвижность тяжелых металлов, с другой — снизить.

В первом случае увеличение подвижности тяжелых металлов происходит в связи с образованием водорастворимых комплексов между монокремниевой кислотой и тяжелыми металлами. А снижение растворимости идет в результате образования малорастворимых силикатов тяжелых металлов.

Зависимость содержания растворимых форм свинца в песчаной почве от концентрации монокремниевой кислоты в почве.

Для того чтобы разобраться, какая реакция идет в одном направлении, а какая в другом, ученые провели эксперимент на песчаных почвах, где вносились разные дозы монокремниевой кислоты. Какие выводы удалось получить?

Растворимость или подвижность тяжелых металлов резко возрастала при изначальном внесении небольших доз монокремниевой кислоты. Однако при дальнейшем внесении монокремниевой кислоты в почву происходило резкое снижение подвижности тяжелых металлов.

В результате были сделаны выводы, что за счет разной дозы монокремниевой кислоты можно управлять подвижностью тяжелых металлов в почве.

К примеру, если необходимо повысить растворимость тяжелых металлов (а это очень часто нужно при проведении фиторемедиации), следует добиться минимальной концентрации монокремниевой кислоты в почве. Если перед производителем стоит задача — предотвратить загрязнение сельхозпродуктов тяжелыми металлами, то упор следует делать на добавление в почву высококонцентрированных доз монокремниевой кислоты.

В связи с этим возникла необходимость провести градацию почв по дефициту и доступному для растений кремния. Ученые сделали такую градацию на основе водорастворимого и кислоторастворимого кремния, после чего выделили четыре уровня.

Основная функция кремния в живых организмах

При внесении кремниевых удобрений растения развиваются намного лучше. Этот факт был подтвержден многочисленными исследованиями. В связи с этим возник вопрос, какая же основная функция кремния в растениях?

То, что азот очень нужен для биомассы растений, калий для роста растений, фосфор — для энергии, известная всем информация. А вот для чего нужен кремний — знают и понимают немногие.

Если растения растут в идеальных условиях, которые зачастую создаются для проведения опытов, то по понятным причинам внесение кремниевых удобрений не увеличивает урожайность растений. Однако в реальной жизни говорить о каких-то идеальных условиях для роста и развития растений не приходится. Всегда есть какие-либо стрессовые, негативно влияющие факторы, поэтому вносить кремниевые удобрения и нужно.

Механизмы защиты растений

Механическая защита

У растений, не получающих достаточного количества кремния, не происходит образование эпидермального слоя, способного предотвращать грибные заболевания.

Растения, получающие достаточное количество кремния, могут на механическом уровне защитить себя от атак насекомых-вредителей и различных болезней.

Физиологическая защита

Кремний активизирует рост корней за счет образования корневого чехлика с возможностью образовывать хорошо развитую корневую массу.

Наличие монокремниевой кислоты в почве влияет на содержание пигментов в листьях растениях.

Учеными было доказано, что именно концентрация монокремниевой кислоты в почве является основным лимитирующим фактором для образования, как хлорофилла а, так и хлорофилла б.

Коэффициенты корреляции между содержанием кремния в различных вытяжках из почв и содержанием пигментов фотосинтеза в листьях кукурузы.

Климатические изменения последних лет продемонстрировали усиление засух в различных регионах, включая Россию. А применение кремниевых удобрений позволяет повысить засухоустойчивость растений.

За счет какого механизма улучшения кремниевого питания позволяет растениям сопротивляться нехватке влаги?

При поглощении растениями кремния, большая его часть из монокремневой кислоты переходит в поликремниевую кислоту, а поликремниевые кислоты это гели, способные удерживать атомы воды. Ученые определили, что один атом кремния приблизительно может удержать до 100-140 атомов воды.

При нормальном кремниевом питании растение способно запасать от 6 до 37 г воды на 100 г биомассы. То есть растения, не испытывающие дефицит кремния может запастись водой, а потом расходовать ее в условиях засухи.

В результате этого применение кремниевых удобрений позволяет снизить до 50% расходов на орошение культуры, не влияя на биомассу растений.

Содержание воды и атомов кремния в различных гелях кремниевой кислоты, образованных в лабораторных условиях.

Регуляторная (транспортная) защита

Опыты на горохе показали, что при внесении кремниевых удобрений, растения могут сопротивляться солевой токсичности. На основании разработанного учеными Института фундаментальных проблем биологии РАН метода было показано, что кремний влияет на транспорт натрия в апопласте.

Именно кремний препятствует транспорту натрия по апопласту, то есть идет упрочнение мембран именно в апопластах проводящей системы.

Еще более интересные данные были получены в ходе проведения вегетационного эксперимента с рисом и различным уровнем кадмиевых загрязнений. После выращивания в нормальных условиях растения помещались на одну неделю в раствор с различным содержанием кадмия и кремния, после чего определялась динамика содержания кадмия в апопласте и симпласте растений.

В ходе опыта удалось выяснить, что растения имеют свой механизм, препятствующий движению тяжелых металлов от корней к листьям. Однако этот механизм не достаточно сильный, чтобы противостоять чрезмерно высоким концентрациям тяжелых металлов. Только присутствие монокремниевой кислоты позволяет усилить этот защитный механизм. В симпласте за счет улучшения кремниевого питания транспорт кадмия от корней к листу резко уменьшается.

Может ли кремний влиять на сигнальную систему?

Первый эксперимент, проведенный учеными с цветной капустой и тлей, показал, что при внесении кремния в качестве биостимулятора (именно не в почву, а на лист), отмечалось резкое снижение количества тли на растениях.

При опрыскивании растений монокремниевой кислотой уровень болезни с нижался в 2,9 раз, а уровень атак насекомых-вредителей уменьшался вдвое.

Может ли это влиять на антиоксидантную систему? Поскольку любой стресс связан с окислительно-восстановительным балансом растительной клетки.

Для определения этого критерия ученые провели еще один эксперимент на пшенице путем установления для ее роста низкотемпературного режима. Внесение монокремниевой кислоты увеличивает биомассу, содержание пигментов в листьях растений, однако одновременно с этим происходит снижение тиобарбитуровой кислоты в клетках листьев растений, таким образом, растения, обработанные монокремниевой кислотой, испытывают меньше стресса. Но уже при низких температурах эффективность монокремниевой кислоты снижается — растения испытывают стресс.

Ученые изучали концентрацию — различность оксидантов. Выяснилось, что для аскорбатпероксидазы монокремниевая кислота увеличивает содержание этого фермента именно в условиях без мороза. При низких температурах уже эффективность аскорбатпероксидазы снижается.

Установлено, что монокремниевая кислота в большей степени влияет на другие антиоксиданты. Их концентрация резко была увеличена в условиях низких температур и в условиях обработки растений монокремниевой кислотой, то есть таким образом растения имеют множество механизмов, которые обусловлены активными формами кремния.

Ученые применили схему универсального вспомогательного механизма защиты растений с использованием подвижных соединений кремния.

Известно, что когда стресс действует на растительную клетку, то сигнал идет в клеточное ядро, которое инициирует синтез стресс-ферментов при помощи рибосомы и транспортных РНК. Но одновременно с этим ядро дает команду на дополнительный транспорт кремниевых кислот, в частности поликремниевых кислот в клетку, которая подвержена стрессу. А поликремниевые кислоты имеют возможность специфического синтеза любых органических веществ на ее поверхности. В результате этого синтеза без расхода энергии могут образовываться те же самые стресс-ферменты. Таким образом, растения сохраняют энергию, а если внести биостимуляторы до стресса, начинают производить стресс ферменты еще до момента возникновения этого самого стресса.

Ученые подсчитали, что живые организмы планеты содержит около 3 млрд. т кремния. Основной цикл формирования кремния происходит за счет наземных растений, эффективно вовлекающих кремний в биологический круговорот. Ежегодное вовлечение кремния составляет от 300 до 600 млн т, а ежегодный вынос кремния с урожаем составляет 210-270 млн. т. Причём этот ежегодный вынос намного выше, чем у азота, фосфора и калия.

Все исследования позволили ученым сделать следующие выводы:

Кремний в растения распределяется крайне неравномерно. Исследованиями установлено, что растения могут поглощать низкомолекулярные кремниевые кислоты и их анионы не только через корневую систему, но и через поверхность листьев, если опрыскивать их кремнийсодержащими растворами. Важно отметить, что поглощение кремния листьями составляет около 30–40%, тогда как через корневую систему – не превышает 1–5%.( Матыченков, 2008)
Кремний в листьях откладываются в виде слоя толщиной 2,5мкм в пространстве
непосредственно под тонким (0,1мкм) слоем кутикулы, образуя
двойной кутикулярно-кремниевый защитный слой на поверхности листьев.
В дополнение к этому накопление кремния происходит также в эпидермисе и
проводящих тканях стебля, листьев, корней и оболочки зерен (Ма и др, 2006).
Эти накопление кремния позволяет растениям выживать в условиях действия абиотических и биотических стрессов.

Транспорт кремния в растении.
Результаты исследований (Матыченков, 2008) свидетельствуют о наличии у растений механизма, обеспечивающего активное и быстрое перераспределение кремния по растительным тканям. При этом перенос Si идет в ткани, которые в большей степени подвержены стрессу. Этот вывод подтверждают работы японского исследователя Ма (1990, 2006). Он показал, что у риса существуют специальные транспортные белки, отвечающие за транспорт кремния. В ДНК был обнаружен и определен фрагмент, отвечающий за синтез этих белков. Предполагают, что не только в рисе, но и в других растениях имеется аналогичный механизм, отвечающий за обеспечение растения кремнием и его транспорт (Ma et al., 2006).
В диссертации российского ученого В.В. Матыченкова (2008) приведены доказательства наличия активного поглощения и перераспределения кремния в растениях (не кремниефильного апельсина). Результаты показали, что общее содержание кремния в листьях, инфицированных грибком, значительно выше, чем в здоровых.
Наглядное подтверждение накопления кремния в пораженных местах растений показано на Рис.3: накопление кремния (Si) совпадает с присутствием возбудителя мучнистой росы (E. Cichoracearum) на листьях растений (A. Thaliana), обработанных кремнием. (F. Fauteux et al. 2005).

Рис. 3. Изображения электронного (слева) и рентгеновского (справа) микроскопа показали, что накопление кремния (Si) совпадает с присутствием E. cichoracearum на
листьях A. thaliana, обработанных кремнием.
Концентрация Si обозначается цветом (см. шкалу): красный показывает высокую концентрацию, а черный — низкую.
Источник: FEMS Microbiol. Lett. 2005; 249, 1–6

Функции кремния в растении.
В растительной клетке кремний образует гидрофильные силикатно-галактозные комплексы, связывающие свободную воду и тем самым повышающие водоудерживающую способность клетки и растения в целом. Это снижает порог образования кристаллов воды в клетке при низких температурах и испарение при высоких, вследствие чего повышается устойчивость растений к жаре и засухе, холоду и заморозкам, резким перепадам температуры.
Доказано, что кремний в оптимальных дозах способствует лучшему обмену в тканях азота и фосфора, повышает потребление бора и ряда других элементов; обеспечивает снижение токсичности избыточных количеств тяжелых металлов. Оптимизация кремниевого питания растений приводит к увеличению площади листьев и создает благоприятные условия для биосинтеза пластидных пигментов. В таких условиях у растений формируются более прочные клеточные стенки, в результате чего снижается опасность полегания посевов, а также поражения их болезнями и вредителями. (Кемечева М.Х., 2003)
Одной из важных функций активных форм кремния является стимуляция развития корневой системы (Кудинова, 1975; Adatia, Besford, 1986; Матыченков, 2008). Исследования на злаковых, цитрусовых, овощных культурах и кормовых травах показали, что при улучшении кремниевого питания растений увеличивается количество вторичных и третичных корешков на 20–100% и более. Дефицит кремниевого питания служит одним из лимитирующих факторов развития корневой системы растений. Установлено, что оптимизация кремниевого питания повышает эффективность фотосинтеза и активность корневой системы (Matichenkov et al., 2004; Иванов и др. 2005; Wang S.Y. и др, 1998).

Рассмотрим более детально особую роль кремния в повышении устойчивости растений к стрессам.

Рисунок 4. Положительные влияние кремния на рост и развитие растений
обеспечивается повышением устойчивости к биотическим и абиотическим стрессам.
Источник: Trends Plant Sci. 2006 Aug; 11(8):392-7.

Растения, хорошо накапливающие кремний, находятся в лучшем положении, поскольку этот элемент повышает устойчивость к стрессам. Если мы хотим повысить стессоустойчивость растения, необходимо обеспечить растения кремнием, независимо от того, являются ли эти растения однодольными или двудольными. Значение кремния особенно проявляется на рисе: низкая концентрация Si приводит к значительному снижению урожайности и качества риса (рис. 6) (Ma, 2006).

Многочисленные исследования показали, что кремний является эффективным в борьбе с заболеваниями грибковой и бактериальной природы у различных видов растений. Например, Si увеличивает устойчивость риса к широкому спектру возбудителей грибковых болезней (фузариоз и пр.) и уменьшает заболеваемость мучнистой росой у огурца, ячменя и пшеницы (Ma, 2006).
Положительное влияние кремния наглядно показано на рис. 5. Первые признаки развития болезни наблюдались на контрольных растениях (Si-) через 5 дней после
заражения мучнистой росой. Болезнь быстро прогрессировала и после 5 недель контрольные растения были сильно инфицированы (балл инфекции = 3,71). С другой стороны, для Si+ растений степень заражения была очень мала даже после 5 недель (рис. 4) – средний балл инфекции составлял 0,41. Результаты этого исследования убедительно доказывают, что кремний обеспечивает эффективную защиту пшеницы от мучнистой росы, что подтверждает многочисленные наблюдения положительной роли кремния в противостоянии грибковым инфекциям у однодольных (Be´langer RR, 2003).

Рис. 5. Влияние кремния (Si +) на развитие мучнистой росы (Blumeria
graminis f. зр. tritici) на листьях пшеницы
А — лист без искусственного заражения мучн. росой.
B — лист искусственно заражен мучн. росой (Si +).
С — лист искусственно заражен мучн. росой (Si -).
Источник: Phytophatology, 93: 402-412. (2003).

Рис. К3 Инфракрасные тепловые изображения растений после 55 дней нормального развития при комнатной температуре (а) и высокой температуре (b) Растения справа (на каждом из снимков) обрабатывались кремнием, в то время, как растения слева (контроль) были необработанны. (Источник: Applied Physics Letters 87, 194105, 2005)

Кремний существенно влияет на охлаждение листьев растений. Так, исследования показали (Wang и соавт., 2005), что обработка листьев кремнием снимает тепловую нагрузку в условиях высоких температур и значительно снижает температуру листьев – на на 3-4 oC (см. рис. К3). После 55 дней развития в нормальных условиях, растения помещали в боксы с температурой 35-40 oC; через 20 дней необработанные растения пожелтели и погибли, тогда как обработанные, хоть и были угнетены, после установления комнатной температуры возобновили вегетацию. Установлено, что после обработки листьев кремнием в эпидермисе формируются биокремниевые структуры (Рис.К4). Таким образом, внекорневое применение кремния является перспективным и экологически чистым методом повышения засухо- и жаростойкости растений.

Имеются также исследования, доказывающие значительную роль кремния в формировании морозостойкости растений, в частности озимой пшеницы разных сортов (Yongchao Liang и др, 2008), риса и др. (Матыченков , 2008).
Кремний также снижает вредное воздействие УФ-излучения (Ma JF, 2006)

Объяснения защитной роли кремния в растениях описаны в литературе. В частности, это утолщение эпидермального слоя, возрастание химической устойчивости ДНК, РНК и молекул хлорофилла, функциональная активация клеточных органелл, оптимизация транспорта и перераспределения веществ внутри растения и др. Предполагается также наличии некого общего универсального механизма повышения их устойчивости к стрессам (не отрицая наличия всех перечисленных механизмов). Этот механизм обусловлен способностью поликремниевых кислот осуществлять направленный каталитический синтез органических веществ (стресс-ферментов, антиоксидантов специфической и неспецифической природы или промежуточных соединений, которые необходимы для метаболического синтеза этих молекул) при нормальных условиях. (Матыченков, 2008).

Рис. К4. Изображение листьев растений под электронным микроскопом после обработки кремнием.
а) биокремниевые соединения, образовавшиеся в клетках эпидермиса листьев – показано стрелками.
b) увеличенное изображение красной обл.
с) рентген-спектр, подтверждающий наличие кремния — Si.
d) На котрольных (необработанных) растениях очень незначительное количество кремниевых структур Масштаб: a-10мкм; b-0.7мкм; d-5мкм.
(Источник: Applied Physics Letters 87, 194105, 2005)

Кремний повышает уровень сопротивляемости растений к любым стрессам и не оказывает токсичного влияния на организм. Таким образом, основной функцией кремния в растении может быть увеличение устойчивости организма к неблагоприятным условиям, выражающееся в утолщении эпидермальных тканей (механическая защита), ускорении роста и развития корневой системы (физиологическая защита), связывании токсичных соединений (химическая защита) и увеличении биохимической устойчивости к стрессам (биохимическая защита) (Матыченков, 2008), снижении действия высоких температур (тепловая защита) (Wang и соавт., 2005).
Разнообразие растений, демонстрирующих положительный отклик на внесение соединений кремния, доказывает, что все эти механизмы характерны как для кремниефилов, так и для некремниефилов (Матыченков, 2008).

На сегодняшний день мировые ученые еще далеки от полного понимания роли кремния жизнедеятельности растений. Однако многочисленные исследования последних лет раскрывают и показывают многообразие механизмов положительного действия кремния на рост и развитие растений, и их сопротивляемость к всевозможным стрессам.

Заключение.
Значительный рост числа фундаментальных и прикладных исследований в области кремния в последнее время свидетельствует о том, что многие механизмы действия кремния еще не изучены или не доказаны.
Учитывая, что кремний особую важность приобретает для растений в условиях стресса (а засуха, жара и т.д. являются для нашей страны рядовым явлением), актуальность применения кремния по нашему мнению будет постоянно расти, а отечественная наука внесет весомый вклад в его дальнейшее изучение.

Читайте также: