Modulation of growth and chemical element accumulation in Fragaria × ananassa plants in vivo under the effect of silicon chelates

封面

如何引用文章

全文:

详细

Due to the protective role played by silicon in plants against unfavorable environmental conditions, siliconcontaining preparations are of considerable interest as biostimulants. In this work, a mechanical composite of rice husk and green tea containing soluble silica chelate complexes was used as the source of silicon. The study aims to examine the effect of silicon chelates on the growth and physiological parameters and the chemical composition of Fragaria × ananassa plants (Solnechnaya Polyanka variety) under greenhouse conditions. The plants were watered using water without a mechanical composite (control) or an aqueous solution containing 0.3 g/L of mechanical composite twice per period. Sampling was carried out one week after the last treatment. In order to determine the concentration of chemical elements (Si, P, S, Cl, K, Ca, Ti, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Br, Rb, Sr, and Mo) in the roots and shoots of garden strawberry, it was proposed to use synchrotron X-ray fluorescence analysis. The use of the mechanical composite was shown to increase the amount of chlorophyll a, chlorophylls a and b, and carotenoids; decrease the amount of hydrogen peroxide; and increase the activity of the main antioxidant enzymes (superoxide dismutase, catalase, and peroxidase). It was determined that under the effect of the preparation, silicon accumulates primarily in shoots, affecting the accumulation of micro- and macroelements in the shoots and roots of plants. The obtained results substantiate the use of silicon-containing “green chemistry” as a means of controlling the growth and development of garden strawberry plants under in vivo conditions.

作者简介

E. Ambros

Central Siberian Botanical Garden SB RAS

Email: ambros_ev@mail.ru

E. Krupovich

Central Siberian Botanical Garden SB RAS

Email: e.krupovich@g.nsu.ru

Yu. Kolmogorov

V.S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy SB RAS

Email: kolmogorov@igm.nsc.ru

E. Trofimova

Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry SB RAS

Email: shapolovaelena@yandex.ru

I. Gusev

Budker Institute of Nuclear Physics SB RAS

Email: gusev@yandex.ru

B. Goldenberg

Budker Institute of Nuclear Physics SB RAS; Synchrotron Radiation Facility – Siberian Circular Photon Source “SKlF”, Boreskov Institute of Catalysis SB RAS

Email: b.g.goldenberg@srf-skif.ru

参考

  1. Durán-Lara E.F., Valderrama A., Marican A. Natural organic compounds for application in organic farming // Agriculture. 2020. Vol. 10, no. 2. P. 41. doi: 10.3390/agriculture10020041.
  2. Garza-Alonso C.A., Olivares-Sáenz E., González-Morales S., Cabrera-De la Fuente M., Juárez-Maldonado A., González-Fuentes J.A., et al. Strawberry biostimulation: from mechanisms of action to plant growth and fruit quality // Plants. 2022. Vol. 11, no. 24. P. 3463. doi: 10.3390/plants11243463.
  3. Savvas D., Ntatsi G. Biostimulant activity of silicon in horticulture // Scientia Horticulturae. 2015. Vol. 196. P. 66–81. doi: 10.1016/j.scienta.2015.09.010.
  4. Schaller J., Cramer A., Carminati A., Mohsen Z. Biogenic amorphous silica as main driver for plant available water in soils // Scientific Reports. 2020. Vol. 10. P. 2424. doi: 10.1038/s41598-020-59437-x.
  5. Битюцкий Н.П. Микроэлементы высших растений. СПб.: Изд-во СПбГУ, 2011. 367 с.
  6. Lomovsky O.I., Lomovskiy I.O., Orlov D.V. Mechanochemical solid acid/base reactions for obtaining biologically active preparations and extracting plant materials // Green Chemistry Letters and Reviews. 2017. Vol. 10, no. 4. P. 171–185. doi: 10.1080/17518253.2017.1339832.
  7. Trofimova E.G., Podgorbunskikh E.M., Skripkina T.S., Bychkov A.L., Lomovsky O.I. Scaling of the mechano-chemical process of production of silicon chelates from plant raw materials // Bulgarian Chemical Communications. 2018. Vol. 50. P. 45–48. EDN: QWCBXS.
  8. Ma J.F. Role of silicon in enhancing the resistance of plants to biotic and abiotic stresses // Soil Science and Plant Nutrition. 2004. Vol. 50, no. 1. P. 11–18. doi: 10.1080/00380768.2004.10408447.
  9. Zargar S.M., Mahajan R., Bhat J.A., Nazir M., Deshmukh R. Role of silicon in plant stresss tolerance: opportunities to achieve a sustainable cropping system // 3 Biotech. 2019. Vol. 9. P. 73. doi: 10.1007/s13205-019-1613-z.
  10. Verma K.K., Song X.-P., Tian D.-D., Guo D.-J., Chen Z.-L., Zhong C.-Z., et al. Influence of silicon on biocontrol strategies to manage biotic stress for crop protection, performance, and improvement // Plants. 2021. Vol. 10, no. 10. P. 2163. doi: 10.3390/plants10102163.
  11. Nusrat A., Réthoré E., Yvin J.-C., Hosseini S.A. The regulatory role of silicon in mitigating plant nutritional stresses // Plants. 2020. Vol. 9, no. 12. P. 1779. doi: 10.3390/plants9121779.
  12. Matichenkov V.V., Bocharnikova E.A. The relationship between silicon and soil physical and chemical properties // Silicon in agriculture / eds L.E. Datnoff, G.H. Snyder, G.H. Korndörfer. Amsterdam: Elsevier Science B.V., 2001. P. 209–219.
  13. Savvas D., Ntatsi G. Biostimulant activity of silicon in horticulture // Scientia Horticulturae. 2015. Vol. 196. P. 66–81. doi: 10.1016/j.scienta.2015.09.010.
  14. Vatansever R., Ozyigit I.I., Filiz E. Essential and beneficial trace elements in plants, and their transport in roots: a review // Applied Biochemistry and Biotechnology. 2017. Vol. 181. P. 464–482. doi: 10.1007/s12010-016-2224-3.
  15. Artyszak A. Effect of silicon fertilization on crop yield quantity and quality – a literature review in Europe // Plants. 2018. Vol. 7, no. 3. P. 54. doi: 10.3390/plants7030054.
  16. Joudmand A., Hajiboland R. Silicon mitigates cold stress in barley plants via modifying the activity of apoplasmic enzymes and concentration of metabolites // Acta Physiologiae Plantarum. 2019. Vol. 41. P. 29. doi: 10.1007/s11738-019-2817-x.
  17. Coskun D., Deshmukh R., Sonah H., Menzies J.G., Reynolds O, Ma J.F., et al. The controversies of silicon’s role in plant biology // New Phytologist. 2019. Vol. 221, no. 1. P. 67–85. doi: 10.1111/nph.15343.
  18. Wang L., Dong M., Zhang Q., Wu Y., Hu L., Parson J.F., et al. Silicon modulates multi-layered defense against powdery mildew in Arabidopsis // Phytopathology Research. 2020. Vol. 2. P. 7. doi: 10.1186/s42483-020-00048-9.
  19. Artyszak A., Kondracka M., Gozdowski D., Siuda A., Litwińczuk-Bis M. Impact of foliar application of various forms of silicon on the chemical composition of sugar beet plants // Sugar Tech. 2021. Vol. 23. P. 546–559. doi: 10.1007/s12355-020-00918-8.
  20. Колесников М.П. Формы кремния в растениях // Успехи биологической химии. 2001. Т. 41. С. 301–332.
  21. Luyckx M., Hausman J.-F., Lutts S., Guerriero G. Silicon and plants: current knowledge and technological perspectives // Frontiers in Plant Science. 2017. Vol. 8. P. 411. doi: 10.3389/fpls.2017.00411.
  22. Liang Y., Nikolic M., Bélanger R., Gong H., Song A. Silicon in agriculture. From theory to practice. Dordrecht: Springer, 2015. 235 p.
  23. Марченко З. Фотометрическое определение элементов / пер. с польского. М.: Мир, 1971. 502 с.
  24. Levent A., Alp S., Ekin S., Karagoz S. Trace heavy metal contents and mineral of Rosa canina L. Fruits from Van region of Eastern Anatolia, Turkey // Reviews in Analytical Chemistry. 2010. Vol. 29, no. 1. P. 13–24. doi: 10.1515/REVAC.2010.29.1.13.
  25. Филатова Д.Г., Еськина В.В., Барановская В.Б., Карпов Ю.А. Современные возможности электротермической атомно-абсорбционной спектрометрии высокого разрешения с непрерывным источником спектра // Журнал аналитической химии. 2020. T. 75. N 5. С. 387–393. doi: 10.31857/S0044450220050047. EDN: ZRVTRX.
  26. Kazaz S., Baydar H., Erbas S. Variations in chemical compositions of Rosa damascena Mill. and Rosa canina L. fruits // Czech Journal of Food Sciences. 2009. Vol. 27, no. 3. P. 178–184. doi: 10.17221/5/2009-CJFS.
  27. Серегина И.Ф., Осипов К., Большов М.А., Филатова Д.Г., Ланская С.Ю. Матричные помехи при определении элементов в биологических образцах методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой и пути их устранения // Журнал аналитической химии. 2019. Т. 74. N 2. С. 136–146. doi: 10.1134/S0044450219020117. EDN: YVTUVF.
  28. Трунова В.А., Зверева В.В. Метод рентгенофлуоресцентного анализа с использованием синхротронного излучения: объекты исследования // Журнал структурной химии. 2016. Т. 57. N 7. C. 1401–1407. doi: 10.15372/JSC20160705. EDN: WZVIML.
  29. Храмова Е.П., Сыева С.Я., Ракшун Я.В., Сороколетов Д.С. Рентгенофлуоресцентный анализ с использованием синхротронного излучения в ботанических исследованиях: элементный состав растений из Горного Алтая (сем. Fabaceae) // Известия Российской академии наук. Серия физическая. 2023. Т. 87. N 5. С. 733–737. doi: 10.31857/S0367676522701265. EDN: ABLTMT.
  30. Legkodymov A.A., Kuper K.E., Kolmogorov Y.P., Baranov G.N. The SRXFA station on the VEPP-4M storage ring // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics. 2019. Vol. 83, no. 2. P. 112–115. doi: 10.3103/S1062873819020199.
  31. Ambros E.V., Toluzakova S.Y., Shrainer L.S., Trofimova E.G., Novikova T.I. An innovative approach to ex vitro rooting and acclimatization of Fragaria × ananassa Duch. microshoots using а biogenic silica and green-teacatechin-based mechanocomposite // In Vitro Cellular and Developmental Biology – Plant. 2018. Vol. 54, no. 4. P. 436–443. doi: 10.1007/s11627-018-9894-1.
  32. Lichtenthaler H.K., Buschmann C. Chlorophylls and carotenoids: measurement and characterization by UV-Vis spectroscopy // Current Protocols in Food Analytical Chemistry. 2001. P. F4.3.1–F4.3.8. doi: 10.1002/0471142913.faf0403s01.
  33. Bellincampi D., Dipperro N., Salvi G., Cervone F., De Lorenzo G. Extracellular H2O2 induced by oligogalacturonides is not involved in the inhibition of the auxin-regulated rolB gene expression in tobacco leaf explants // Plant Physiology. 2000. Vol. 122, no. 4. P. 1379–1385. doi: 10.1104/pp.122.4.1379.
  34. Aeby H. Catalase in vitro // Methods in Enzymology. 1984. Vol. 105. P. 121–126. doi: 10.1016/s0076-6879(84)05016-3.
  35. Giannopolitis C.N., Ries S.K. Superoxide dismutase: I. Occurrence in higher plants // Plant Physiology. 1977. Vol. 59, no. 2. P. 309–314. doi: 10.1104/pp.59.2.309.
  36. Полесская О.Г., Каширина Е.И., Алехина Н.Д. Изменение активности антиоксидантных ферментов в листьях и корнях пшеницы в зависимости от формы и дозы азота в среде // Физиология растений. 2004. Т. 51. N 5. С. 686–691. EDN: OXNXLZ.
  37. Жанаева Т.А., Лобанова И.Е., Кукушкина Т.А. Флавонолы и окисляющие их ферменты в онтогенезе гречихи посевной // Известия Российской академии наук. Серия биологическая. 1999. N 1. С. 105–108.
  38. Сидорина А.В., Трунова В.А., Алексеева А.Н. Определение микроэлементного состава шиповника собачьего (Rosa canina) из разных мест произрастания методом РФА-СИ // Химия в интересах устойчивого развития. 2014. Т. 22. N 2. С. 181–186. EDN: SMJYYR.
  39. Гольденберг Б.Г., Ракшун Я.В., Бугаев С.В., Мешков О.И., Цыбуля С.В. Проект технологической станции синхротронного излучения на ВЭПП-4М // Известия Российской академии наук. Серия физическая. 2019. Т. 83. N 2. С. 176–180. doi: 10.1134/S0367676519020157. EDN: YVTWTR.
  40. Goldenberg B.G., Gusev I.S., Zubavichus Y.V. Synchrotron radiation station on the VEPP-4M for practical training // Synchrotron and free electron laser radiation: generation and application (SFR-2022): book of abstracts. Novosibirsk: Institute of Nuclear Physics G.I Budker SB RAS, 2022. P. 123–124. EDN: JNUCCT.
  41. Самсонова Н.Е. Кремний в растительных и животных организмах // Агрохимия. 2019. N 1. С. 86–96. doi: 10.1134/S0002188119010071. EDN: YVTRSP.
  42. Hossain M.T., Soga K., Wakabayashi K., Kamisaka S., Fujii S., Yamamoto R., et al. Modification of chemical properties of cell walls by silicon and its role in regulation of the cell wall extensibility in oat leaves // Journal of Plant Physiology. 2007. Vol. 164, no. 4. P. 385–393. doi: 10.1016/j.jplph.2006.02.003.
  43. Алексеева-Попова Н.В., Дроздова И.В. Микроэлементный состав растений полярного Урала в контрастных геохимических условиях // Экология. 2013. N 2. С. 90–98. doi: 10.7868/S0367059713020030. EDN: PVXCMB.
  44. Ma J.F., Takahashi E. Interaction between calcium and silicon in water-cultured rice plants // Plant and Soil. 1993. Vol. 148. P. 107–113. doi: 10.1007/bf02185390.
  45. Fleck A.T., Schulze S., Hinrichs M., Specht A., Waßmann F., Schreiber L., et al. Silicon promotes exodermal Casparian band formation in Si-accumulating and Si-excluding species by forming phenol complexes // PLOS One. 2015. Vol. 10, no. 9. P. e0138555. doi: 10.1371/journal.pone.0138555.
  46. Dishon M., Zohar O., Sivan U. Effect of cation size and charge on the interaction between silica surfaces in 1:1, 2:1, and 3:1 aqueous electrolytes // Langmuir. 2011. Vol. 27, no. 21. P. 12977–12984. doi: 10.1021/la202533s.
  47. Miyake Y., Takahashi E. Effect of silicon on the growth and fruit production of strawberry plants in a solution culture // Soil Science and Plant Nutrition. 1986. Vol. 32, no. 2. P. 321–326. doi: 10.1080/00380768.1986.10557510.
  48. Ouellette S., Goyette M.-H., Labbé C., Laur J. Gaudreau L., Gosselin A., et al. Silicon transporters and effects of silicon amendments in strawberry under high tunnel and field conditions // Frontiers in Plant Science. 2017. Vol. 8. P. 949. doi: 10.3389/fpls.2017.00949.
  49. Kanto T., Miyoshi A., Ogawa T., Maekawa K., Aino M. Suppressive effect of liquid potassium silicate on powdery mildew of strawberry in soil // Journal of General Plant Pathology. 2006. Vol. 72. P. 137–142. doi: 10.1007/s10327-005-0270-8.
  50. Hodson M.J., White P.J., Mead A., Broadley M.R. Phylogenetic variation in the silicon composition of plants // Annals of Botany. 2005. Vol. 96, no. 6. P. 1027–1046. doi: 10.1093/aob/mci255.

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
下载


Creative Commons License
此作品已接受知识共享署名 4.0国际许可协议的许可

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».