Кремний и защита растений от стресса: теория, практика, перспективы.

Кремний и защита растений от стресса: теория, практика, перспективы.
Крамарев С.М., д.с-х.н., Институт сельского хозяйства степной зоны НААНУ
Полянчиков С.П., директор по развитию НПК «Квадрат»
Ковбель А.И., руководитель ФХ «Деметра+», консультант НПК «Квадрат»

«Насколько вода является уникальной жидкостью,
настолько и аморфный кремнезем уникален как твердое вещество. Они во многом схожи.»
Ральф Айлер

Кремний выполняет удивительно большое количество функций в жизни растений, и особенно важен в стрессовых условиях. Роль кремния можно сравнить с ролью вторичных органических метаболитов, выполняющих в растениях защитные функции. Видя все многообразие ролей, которые кремний играет в растениях против различных стрессов, сегодня мировые ученые признают, что еще далеки от разработки «единой теории» кремния в биологии и сельском хозяйстве (E. Epstein, 2009).
Кремниевое питание растений представляет не только научный интерес, но и имеет большое практическое значения в условиях роста дефицита продовольствия и необходимости увеличивать продуктивность растений на фоне неблагоприятных воздействий окружающей среды. В таких условиях применение кремниевых удобрений может стать очень актуальным резервом повышения эффективности растениеводства.

Кремний в природе и в растениях. Уникальность кремния.
Кремний является вторым (после кислорода) по распространенности элементом земной коры и почвы. Однако основная часть кремния находится в виде нерастворимых веществ и является недоступной растению. Кремний накапливается растениями в количествах, часто превышающих величину поглощения основных макроэлементов (N, P, K).
Отметим некоторые закономерности, которые выделяют кремний из ряда других элементов в жизнедеятельности растений. Почти все растения (за редким исключением) могут быть выращены без кремния в питательной среде. Даже кремниефильные растения рис и пшеница! Другой особенностью является то, что диапазон концентраций кремния в растениях значительно шире, чем других питательных элементов. Так, содержание кремния колеблется в пределах 0,1–10% от сухой массы, в то время как, например, для азота этот разброс составляет 0,5-6%, для калия: 0,8-8%, фосфора: 0,15-0,5%. Т.е разброс концентрации кремния – 100 раз!, а других элементов – не более 10 раз! (Эпштейн, 1994)
К настоящему времени становится очевидным несоответствие между значимостью кремния в природе и объемом имеющихся о его функциях знаний. Многие теоретические и практические вопросы, касающиеся полифункциональной роли кремния в растениях и почвах, остаются малоизученными. (Матыченков В.В., 2008)
Выделяют три группы растений по содержанию кремния в сухом веществе (Jones & Handreck, 1967) :
а) более 5% (например, рис, тростник);
б) более 1% (например, ячмень, рожь и т.д);
в) менее 1% (например, двудольные – огурец, подсолнечник и др.).
Несмотря на меньшую в целом способность накапливать кремний у двудольных, его роль в жизнедеятельности и повышении устойчивости к стрессам у этих культур не менее велика (Ма и др, 2006; Laing и др, 2008).
Вероятные формы соединений кремния с органическим веществом растительных тканей приведены на рис. 2.

Рис. 2. Вероятные формы соединений кремния с органическим веществом растительных тканей.
1. «Силиконовая оболочка» белкового слоя клеточной мембраны,образованная ортокремниевой и олигокремниевой кислотами (связи Si–O с оксигруппами аминокислот).
2. Образование Si–N связи с аминогруппой амимноксилоты.
3. Si как «сшивающий мостик» в полисахаридах (Si–O–C связи с сахарными остатками).
Источник: Успехи биологической химии, т. 41, 2001, с. 301—332

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.

Роль кремния в формировании стрессоустойчивости.
Почему, несмотря на то, что до сих пор кремний не отнесен к жизненно необходимым элементам (хотя в ближайшее время это должно измениться в связи с предложенной Э. Эпштейном новой формулировкой самого понятия «жизненно-необходимый элемент»), практика сельского хозяйства многих стран в последнее время показывает значительную эффективность кремниевых удобрений и рост их потребления на 20-30% ежегодно?
Какую же роль эволюция отвела этому элементу?
Ответ:
Роль кремния в растениях, прежде всего в защите от неблагоприятных воздействий окружающей среды – как биотических, так и абиотических (Эпштейн, 2009).
При выращивании в искусственных благоприятных условиях растения практически не нуждаются в кремнии. Но выход в реальный мир резко меняет среду обитания растения: вредители, патогенные грибки, засуха и жара – вот только некоторые опасности окружающие растения в полевых условиях.
Учитывая это, необходимо делать существенное разграничение при рассмотрении роли кремния для растений в благоприятных условиях и тех же растений, находящихся под действием различных стрессов (т.е. в реальных полевых условиях)
Кремний выполняет свои функции двумя способами: путем полимеризации
кремниевой кислоты, что приводит к образованию аморфного гидратированного кремнезема, и играя важную роль в образовании органических защитных соединений (Эпштейн, 2009).

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).

Виды стрессов.
Как известно, стрессы растений принято подразделять на два вида: биотические и абиотические. Рассмотрим более подробно природу этих стрессов и ответные реакции растений на них.
Что же растения могут сделать, чтобы защитить себя от негативных внешних воздействий? Очевидно, что убежать от опасности (как животные) растения не могут. Не могут они также рычать, чтобы отпугнуть «обидчика». Растения имеют два основных способа защиты: физический и химический.
Физическая защита подразумевает наличие шипов, колючек, прочного эпидермального слоя и т.п. При этом эта «броня» многих растений представляет собой кремнезем, накопленный в клеточных стенках (Эпштейн, 2009). Существует множество доказательств, что именно кремний играет важную роль в защите растений от вредителей. Упрочнение клеточных стенок путем биоминерализации кремниевых соединений является одним из механизмов, которым эта защита осуществляется. Это действует как физический барьер для насекомых, патогенных микроорганизмов, а иногда и травоядных животных.
Химическая же защита гораздо сложнее и растения проделывают огромную работу – синтезируют для этой цели огромное количество «вторичных метаболитов», соединений, которые не являются жизненно необходимыми в обмене веществ в растении, но играющих роль в адаптации и противодействию окружающим условиям. Количество этих разнообразных химических структур огромно; по одной из оценок (Hartmann, 2008) таких веществ более 200тыс. Эти вещества влияют на взаимодействие растения и организмов, живущих в окружающей среде растения: насекомых, грибков, микробов, вирусов. В этой системе химической защиты принимают участие также и первичные метаболиты, участвующие в основном обмене веществ растения – фитогормоны, органические кислоты и пр. Какова же роль кремния в этой «химической войне»? Именно кремний принимает непосредственное участие в биосинтезе защитных метаболитов и на сегодня этому есть неопровержимые доказательства (Матыченков, 2008). На данный момент исследований, посвященных влиянию кремния на смягчения действия биотических стрессов гораздо больше (Datnoff и др., 2007). Исследования в снижении воздействий абиотических стрессов несколько отстали. Но, тем не менее, имеются также данные о снижении негативного действия жары, засухи, засоления и пр. при оптимизации кремниевого питания (Матыченков, 2008; Эпштейн, 2009).
Отменим большое различие в адресности воздействия биотических и абиотических стрессов. Биотические стрессы в основном воздействуют на часть растения (например, на лист), в то время как абиотические, чаще всего оказывают негативное действие на растение целиком (в крайнем случае, на целый орган растения). И это любопытно и удивительно, что кремний оказывает защитное действие против таких разных по своей природе и адресности стрессов (Эпштейн, 2009).
И хотя ученные еще не имеют четкого представления о всех биохимических и молекулярно-биологических механизмах этого явления, имеющиеся результаты фундаментальных и прикладных исследований позволяют рассматривать кремниевые удобрения как эффективный способ борьбы с различными стрессами растений (как биотическими – вредители, грибковые и бактериальные болезни, так и абиотическими – засуха, высокие и низкие температуры, полегание, засоление, УФ-излучение и пр.).

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. 6. Влияние кремния (Si) на рост и урожайность риса.
(а) растения риса с низким уровнем Si восприимчивы к атакам насекомых,
(б) при низком уровне Si в зерне — наблюдается изменение цвета из-за заражения несколькими грибковыми возбудителями.
«- Si»: Содержание кремния составляет 0,48% в побегах и 1,44% в зернах,
«+ Si»: Содержание кремния составляет 4,21% в побегах и 8,05% в зернах.
Источник: Trends Plant Sci. 2006 Aug; 11(8):392-7.
Кремний также повышает устойчивость растений к насекомым-вредителям. На рис.6 показано, что растения с низким уровнем кремния восприимчивы к атакам насекомых (Ma JF, Yamaji N., 2006)
Анализ литературных данных (Матыченков, 2008) свидетельствуют о том, что растение более продуктивно использует влагу при внесении активных форм Si. Известно, что 20-30% находящегося в растении кремния, может участвовать в процессе поддержки внутреннего резерва воды, и это является одним из механизмов, который позволяет растениям выжить в условиях острого недостатка воды. (Матиченков, 2008). Одним из факторов, повышения засухоустойчивости, является способность кремния снижать транспирации и изменять угла наклона листьев растений, обеспечивающие меньший уровень испарения влаги (Эпштейн, 1999, Матыченков, 2008) и увеличением возможностей антиоксидантной защиты растения (Heather A. Currie, 2007).

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.