Изменение климатических показателей, особенно в плане выпадения осадков, оказывает заметное влияние на количество и качество урожая большинства выращиваемых культур, особенно в полузасушливых и аридных регионах, где нехватка воды является существенным ограничивающим фактором в сельскохозяйственном производстве. Ценность продукции растениеводства определяется не только общим количеством воды и эффективностью ее использования, но также зависит от характера распределения осадков в течение вегетационного периода [1].

Зрелое зерно обычно содержит от 86 до 90 % сухого материала, главным образом состоящего из углеводов (таких как крахмал, клетчатка, декстрины и сахара), белков, различных витаминов, жиров и минералов. Эти минералы при сжигании образуют зольный остаток. Чтобы процесс прорастания зерна был возможен, содержание воды в нем должно быть минимум 50 %. Прорастание зерна становится практически невозможным, если влажность почвы составляет менее 30 % от ее полной водоудерживающей способности [2].

При этом семена, которые уже высохли, быстро впитывают влагу и увеличиваются в размере. Если деление и рост клеток зародыша еще не начались, семена можно высушить снова, и они не потеряют свою способность к прорастанию. Это значит, что процесс поглощения воды обратим [3]. Семена зерновых культур начинают поглощать воду, как только вступают в контакт с ней [4]. Химический состав семян разных культур и их биологические характеристики определяют различное требование к количеству необходимой для прорастания поглощенной воды. Эта величина, например, у ячменя равна 48,2 % от сухой массы [5]. Скорость впитывания воды зависит от характеристик семян, таких как размер и масса, анатомическое строение, способ поступления воды в семя, проницаемость семенной оболочки и химический состав. Также на скорость влияют поверхность семени, вступающая в контакт с водой, и температура. Генетические факторы также оказывают значительное влияние на процесс поступления воды в семена [2].

Выявлена и последовательность проникновения воды в семена. После набухания кожуры начинается процесс набухания семядолей и гипокотиля, в результате чего их поверхность также заметно возрастает. В этот период происходит биохимическая подготовка роста, которая затем проявляется в интенсивном удлинении корешка, пронизывающего растянутую кожуру со скоростью около 0,1 мм/ч [3].

Как известно, с эффективным поглощением и использованием воды растительным организмом связана активность его метаболических процессов и, как следствие, продуктивность и устойчивость к действию неблагоприятных экологических факторов. На уровне целого растения указанные изменения сопровождаются, как правило, стимуляцией роста корневой системы [6]. Главный фактор, обеспечивающий полноценные условия для прорастания семян, – это необходимое количество в них воды [2]. Принято считать, что прорастание предопределяется активацией метаболизма, происходящей перед наклевыванием семени [7].

Уже при влажности от 20 до 25 % в осевых органах запускается первичный обмен веществ. В диапазоне значений влажности от 40 до 55 %, по-видимому, начинает синтезироваться белок на запасенной матричной РНК с использованием всех компонентов системы синтеза белка, которые были накоплены при созревании, а также синтезируется матричная РНК семян, обеспечивая выполнение всей генетической программы прорастания. В этом диапазоне влажности также активизируется процесс дыхания, который объясняется завершением процесса образования митохондрий и началом мобилизации крахмала и запасенного белка в семенах. К концу этапа активации обмена веществ в клетках осевых органов подготавливается энергетическое обеспечение для последующих событий и начинается гидролиз запасных веществ. Поступление воды в осевые органы происходит до достижения влажности 55–60 % за счет «физического» набухания. Таким образом, активация метаболизма в семенах при наличии влаги в почве происходит всегда [2].

Первый этап прорастания семян представляет собой процесс активации метаболизма, который длится от начала контакта семени с водой до завершения «физического» набухания. Последний обеспечивается за счет механизма капиллярного поглощения влаги, функционирующего вследствие наличия низкого матричного потенциала сухого семени. Установлено, что семена, поглотившие воду в большем количестве в первые четыре часа, оказались более продуктивными [2]. Поэтому агроприемы, способствующие большему относительному поглощению воды семенами, могут быть эффективными в плане повышения продуктивности культурных растений.

Бентонит – это филлосиликатная глина, состоящая преимущественно из монтмориллонита, экологичный природный материал, обладающий отличными адсорбционными свойствами, и поэтому его можно использовать в качестве естественного и нетоксичного удобрения для почвы. Исследования показали, что применение бентонита повышает влагоудерживающую способность почвы и эффективность использования воды в сельскохозяйственных культурах [8]. Результатов изучения влияния бентонита на темпы поглощения воды семенами при их замачивании нам не удалось встретить в доступной литературе.

Цель исследования состоит в анализе зависимости скорости начального поглощения воды семенами при выдерживании их в водных суспензиях различных форм бентонита.

Материалы и методы исследования

В качестве экспериментальных вариантов были взяты водные суспезии бентопорошка (табл. 1): активированной карбонатом натрия глины (0,5 г на 100 мл воды), активированной глины с добавлением глицина, исходной (карьерной) глины в той же концентрации. В контроле использовалась дистиллированная вода.

В экспериментах использовали зерно ячменя (сорт Биом), овса (сорт Тубинский) и пшеницы (сорт Алтайская 70), выращенное на территории Бейского района Республики Хакасия в 2022 г.

Таблица 1

Описание модельных систем

В работе были проведены измерения динамики относительного поглощения водных растворов модельных систем зерном указанных выше сельскохозяйственных культур. Суть подхода состояла в анализе динамики поглощения воды зерном в течение первых 5 минут от начала его замачивания. Для этого навеску сухих зерен каждого образца по 50 г (точность измерения 0,1 г) помещали в сосуд с соответствующим раствором (t = 18–20 °С). Затем с интервалом 1 мин извлекали из сосуда зерно, промокали его фильтровальной бумагой и взвешивали. После чего по формуле рассчитывали относительное поглощение жидкости зерном за каждую минуту экспозиции:

ОПВ = [(Мкон – Мнач) / Мнач] x 100 %,

где Мкон – масса зерна после процедуры намачивания за каждую минуту; Мнач – исходная масса сухого зерна [9].

Результаты исследования и их обсуждение

Полученные данные представлены на рис. 1–3 и в табл. 2. Результаты говорят, что во всех вариантах с суспензией бентонита по сравнению с контролем существуют более высокие темпы поглощения воды зерном в первую минуту его замачивания. Исходя из табл. 2, по рассматриваемому показателю опытные варианты отличались от контроля в 2,2 раза (яровой ячмень), 2,4 (яровой овес) и 4,3 раза (яровая мягкая пшеница). Подчеркнем, что полученный эффект мало зависел от вида растений. Далее в рассматриваемом физическом процессе с течением времени наблюдаемый разрыв между опытными вариантами, с одной стороны, и контролем, с другой, продолжал увеличиваться. Особенно это заметно у пленчатых зерновых культур – яровых овса и ячменя.

После замачивания в течение 5 мин средние различия между опытными вариантами, с одной стороны, и контролем, с другой, составили 11 % (пшеница яровая мягкая), 40 % (ячмень яровой) и 62 % (овес яровой). Среди вариантов с применением бентонитовой суспензии различия в регистрируемом поглощении воды зерном были относительно слабые.

Каковы возможные механизмы наблюдаемого в работе эффекта? Семя в состоянии покоя представляет собой систему капилляров, пронизывающих сухое органическое вещество, и в первые минуты оно поглощает воду только за счет капиллярных сил, по градиенту так называемого матричного потенциала. Хорошо известно, что капиллярное давление математически выражается прямой зависимостью от поверхностного натяжения жидкости и обратной зависимостью от радиуса капилляра и плотности используемой жидкости.

Рис. 1. Поглощение зерном овса ярового воды и растворов на основе бентонита

Рис. 2. Поглощение зерном яровой мягкой пшеницы воды и растворов на основе бентонита

Рис. 3. Поглощение зерном ячменя ярового воды и растворов на основе бентонита

Таблица 2

Поглощение модельных растворов зерном различных культур

С одной стороны, весьма вероятно, что поверхностное натяжение используемых водных суспензий глины будет ниже по сравнению с чистой водой, а плотность таковых будет превышать плотность дистиллированной воды. И первое, и второе должно сопровождаться снижением темпов поглощения воды зерном в опытных вариантах. Но в экспериментах отмечается противоположный эффект. Следовательно, ни поверхностное натяжение, ни плотность используемых суспензий глины не имеют отношения к регистрируемому экспериментальному факту.

С другой стороны, при замачивании зерна в суспензии глины возможно отложение частиц глины внутри капилляров, сопровождающееся их сужением. Вследствие эффекта уменьшения радиуса капилляров интенсивность поглощения воды зерном из суспензии глины может увеличиться. Добавление ионов натрия и аминокислоты глицина (так называемое активирование бентонитовой глины) способствует некоторому дальнейшему повышению темпов поглощения воды, по-видимому, вследствие увеличения адгезии и смачиваемости капилляров.

Таким образом, в результате проведенных исследований были получены новые знания, касающиеся вопроса прайминга зерна в части изучения механизма начального поглощения воды и растворов на ее основе. Было установлено, что добавление ионов натрия и аминокислоты глицина (так называемое активирование бентонитовой глины) способствует повышению темпов поглощения зерном водных растворов в исследуемом временном интервале, по сравнению с дистиллированной водой, что может быть связано с увеличением адгезии и смачиваемости капилляров. Анализ современной научной литературы подчеркивает большой потенциал фундаментальных и прикладных исследований по изучению механизмов праймирования зерна как варианта, улучшающего его качественные и количественные характеристики, а также повышающего устойчивость к неблагоприятным факторам окружающей среды.