THE INFLUENCE OF SILICON DIOXIDE «KOVELOS-SORB» ON GROWTH CHARACHTERISTICS OF RHODODENDRON ROSEUM (LOISEL.) REHDER CULTIVATED IN VITRO

Cover Page

Abstract


The article reveals a stimulating effect of synthetic amorphous silicon dioxide on growth parameters Rhododendron roseum (Loisel.) Rehder, propagating itself in vitro . The purpose of this study was to identify the optimum composition of culture medium on the basis of amorphous silica ‘Kovelos-Sorb’, used for clonal micropropagation of rhododendrons. It was established that it is preferable to add to Anderson culture medium 100 mg/L of amorphous silicon dioxide, which stimulated the growth of mericlone germs Rhododendron roseum (Loisel.) Rehder. In order to stimulate propagation and for receiving a vast amount of propagating material, it was optimal to use Anderson medium which contained 50 mg/L of amorphous silicon dioxide. For establishment of regenerative plants Rhododendron roseum (Loisel.) Rehder in vitro, it was optimal to use Anderson medium which contained synthetic amorphous silicon dioxide in amounts of 50-150 mg/L combined with indoleacetic acid in amounts of 1.5 mg/L.

Full Text

Введение Применение соединений кремния при культивировании растений in vitro представляет пер-спективу для производства оздоровленного посадочного материала, легко адаптирующегося к небла-гоприятным условиям среды. Известно, что соединения кремния, в том числе диоксид кремния, осу-ществляют огромное количество функций в жизни растений, как в обычных, так и в стрессовых условиях. Роль аморфного диоксида кремния можно сравнить с ролью вторичных органических ме-таболитов, выполняющих в растениях защитные функции [4]. Добавление аморфного диоксида кремния в питательную среду при культивировании in vitro стимулирует органогенез, эмбриогенез, влияет на ростовые процессы, морфологические, анатомо-физиологические характеристики, повышает толерантность к низкой температуре и солености, за-щищает клетки от токсичности металлов, предотвращает окислительное фенольное потемнение и снижает частоту гипергидрации у различных растений [9]. Аморфный диоксид кремния обладает значительным потенциалом для применения в широком спектре исследований культуры тканей рас-тений, таких как криоконсервация, органогенез, микропропагация, соматический эмбриогенез и производство вторичных метаболитов. В ходе экспериментов с аморфным диоксидом кремния в культуре in vitro было выявлено, что он увеличивает устойчивость каллуса винограда к низким температурам [6]. Это показывает, что аморфный диоксид кремния может быть использован в качестве криопротектора и включен в крио-протекторную смесь для минимизации токсичности других криопротекторов. Добавление диоксида кремния в питательную среду приводит к замедлению роста болезне-творных микроорганизмов и увеличивает регенеративный потенциал мериклонов пасленовых, куль-тивируемых in vitro [8]. Установлено, что аморфный диоксид кремния в культуре in vitro уменьшает солевой стресс у некоторых видов растений, ограничивая поглощение хлорида натрия, а также поддерживает уль-траструктуру устьиц, улучшает фотосинтетическую активность, уменьшает содержание свободного пролина и активизирует синтез антиоксидантных ферментов [7]. Известно, что использование аморфного диоксида кремния в культуре in vitro повышает засу-хоустойчивость, снижает токсичность свинца, алюминия и других металлов, повышает устойчивость к радиационным и температурным стрессам [3]. Изучены оптимальные количества аморфного кремнезема, стимулирующие рост мериклонов in vitro. Добавление аморфного кремнезема в питательную среду в количестве 100 мг/л приводило к увеличению некоторых параметров роста мериклонов яблони (длина побега, коэффициент размно-жения, масса сухого вещества), повышало содержание хлорофилла [2]. Использование аморфного кремнезема в составе питательной среды Мурасиге-Скуга количеством 100 мг/л (1,66 мМ в пересчете на метакремниевую кислоту) приводило к увеличению коэффициента размножения бананов на 50%. Адаптация таких мериклонов проходила эффективнее при добавлении в питательный субстрат аморфного кремнезема в количестве 2 г/кг, - растения характеризовались большей устойчивостью к недостатку влаги и фузариозу [5]. Целью данной работы являлось определение оптимального состава питательных сред на основе аморфного кремнезема «Ковелос-Сорб», используемых для клонального микроразмножения родо-дендронов (на примере Rhododendron roseum (Loisel.) Rehder). Научная новизна настоящего исследования заключается в определении количества аморфного диоксида кремния, обладающего стимулирующим влиянием на рост корней и побегов растений реге-нерантов Rhododendron roseum (Loisel.) Rehder в культуре in vitro. Разработанная методика использования аморфного диоксида кремния для размножения родо-дендронов в культуре in vitro может применяться для создания протоколов клонального микрораз-множения других сельскохозяйственных культур. Результаты исследования могут быть использованы для создания технологии применения аморфного диоксида кремния в качестве регулятора роста рас-тений. Методика и материалы исследования Изучали влияние аморфного диоксида кремния на морфометрические показатели, коэффици-ент размножения и укореняемость растений-регенерантов Rhododendron roseum (Loisel.) Rehder (ги-бридный сорт, белоцветковая форма), размножаемых в культуре in vitro с использованием питатель-ной среды Андерсона для размножения и укоренения [1]. В состав среды вводили синтетический аморфный диоксид кремния «Ковелос-Сорб» в количестве 50, 100 и 150 мг/л (производство OOO «Экокремний»). В состав среды для укоренения включали 1,5 мг/л ИУК (индолилуксусная кислота). Побеги рододендронов, размножаемых микроклонально, отделяли от первичного эксплантата, делили на 2-3-х пазушные черенки и переносили на питательную среду согласно схеме опыта. Все эксперименты проводили в трехкратной повторности, на каждый вариант опыта приходилось по 30-40 микропобегов. Культивирование микропобегов осуществляли при 25°С под лампами дневного света при 16-часовом фотопериоде. Длительность субкультивирования составляла 8 недель. Определяли длину по-бегов и корней, число корней и коэффициент размножения. Статистическую обработку результатов исследования проводили с использованием программы Microsoft Excel 2017; отличия достоверны при p≤0,05. Работа выполнялась с использованием оборудования лаборатории ИННО-центра биотехноло-гии и экологии БГУ в 2016-2018 гг. Результаты исследования Влияние аморфного диоксида кремния на коэффициент размножения и длину побегов мериклонов Rhododendron roseum (Loisel.) Rehder Выявлено стимулирующее рост и размножение мериклонов Rhododendron roseum (Loisel.) Rehder действие синтетического аморфного диоксида кремния, вводимого в состав среды Андерсона (табл. 1, рис. 1). Оптимальным для стимуляции роста побегов мериклонов являлось применение пи-тательной среды Андерсона для размножения рододендронов, содержащей 100 мг/л аморфного кремнезема (рис. 2) - в этом случае средняя длина побегов составляла 2,29±0,24 см, что в 2,1 раза больше показателя контрольного варианта (1,09±0,16 см). При использовании диоксида кремния в количестве 50 мг/л длина мериклонов рододендронов составляла 1,60±0,14 см, что в 1,5 раза больше длины побегов контрольного варианта (достоверно при p≤0,05). Таблица 1 Влияние аморфного диоксида кремния на морфометрические показатели растений-регенерантов рододендронов в культуре in vitro Вариант Контроль 50 мг/г 100 мг/г 150 мг/г Длина побега, мм 1,09±0,16 1,60±0,14* 2,29±0,24* 1,01±0,13 Коэффициент размножения, штук 13,17±1,92 35,50±2,24* 19,00±1,89* 12,00±1,21 * - достоверно при p≤0,05 Включение в состав питательной среды аморфного диоксида кремния в количестве 150 мг/г не приводило к увеличению длины побега - в этом случае она составляла 1,01±0,13 см, что примерно соответствовало аналогичному показателю для растений контрольного варианта (1,09±0,16 см, отли-чия недостоверны при p≤0,05). Введение в состав среды Андерсона для размножения рододендронов аморфного диоксида кремния приводило к увеличению коэффициента размножения опытных растений. Коэффициент размножения рододендронов в контрольном варианте составил 13,17±1,92, при введении диоксида кремния в количестве 50 мг/л - 35,50±2,24, что в 2,7 раза больше показателя контрольного варианта (отличия достоверны при p≤0,05, табл. 1, рис. 2). Использование питательной среды Андерсона с диоксидом кремния в количестве 100 мг/л при-водило к увеличению коэффициента размножения рододендронов в 1,4 раза по сравнению с контро-лем, отличия достоверны при p≤0,05. Средний показатель составил 19,00±1,89 шт. Коэффициент размножения растений регенерантов на питательной среде с содержанием диоксида кремния 150 мг/л составлял 12,00±1,21, что немного меньше по сравнению с растениями контрольного варианта (отли-чия недостоверны при p≤0,05). Рис. 1. Влияние аморфного диоксида кремния на рост растений-регенерантов Rhododendron roseum (Loisel.) Rehder. Снизу вверх: контроль - среда Андерсона, вариант 1 - среда Андерсона, содержащая 50 мг/л аморфного кремнезема, вариант 2 - среда Андерсона, содержащая 100 мг/л аморфного кремнезема, вариант 3 - среда Андерсона, содержащая 150 мг/л аморфного кремнезема Рис. 2. Влияние аморфного кремнезема на длину побегов и коэффициент размножения растений-регенерантов Rhododendron roseum (Loisel.) Rehder Оптимальным для увеличения числа растений-регенерантов рододендронов являлось использо-вание 50 мг/л аморфного кремнезема, что приводило к увеличению общего количества побегов в 2,7 раза. Использование такой питательной среды предпочтительно, если цель - получение большого количества посадочного материала в краткие сроки. Однако длина побегов таких мериклонов всего в 1,5 раза превышала контрольный показатель, что, видимо, связано с недостатком питательных ве-ществ из-за большого количества побегов в конгломерате и замедлением темпов роста. Применение среды, содержащей 100 мг/л аморфного кремнезема, увеличивало коэффициент размножения рододендронов всего в 1,4 раза, но посадочный материал характеризовался лучшим ка-чеством. Основным преимуществом являлось более чем двукратное увеличение длины побега по сравнению с контрольными растениями и достаточно высокий коэффициент размножения. Влияние аморфного кремнезема на укоренение растений-регенерантов Rhododendron roseum (Loisel.) Rehder в культуре in vitro Изучали влияние аморфного кремнезема на процессы укоренения мериклонов Rhododendron roseum (Loisel.) Rehder, культивируемого in vitro с использованием среды Андерсона для укоренения (табл. 2). Одновременно с изучением влияния аморфного кремнезема на корнеобразование оценивали его воздействие на рост и состояние побегов, а также коэффициент размножения. Обнаружено, что внесение аморфного кремнезема в питательные среды для стимуляции корнеобразования влияло так-же и на коэффициент размножения и длину мериклонов, причем имелась тенденция к увеличению длины побегов укореняемых мериклонов при внесении диоксида кремния (табл. 2). Так, на пита-тельной среде, содержащей 150 мг/л аморфного кремнезема, длина побегов рододендронов составля-ла 1,65±0,09, что в 1,3 раза больше аналогичного показателя контрольного варианта (достоверно при p≤0,05). Качество побегов, полученных на средах с аморфным кремнеземом, при визуальном осмотре лучше состояния контрольных растений. Таблица 2 Влияние аморфного диоксида кремния на процессы укоренения растений-регенерантов рододендронов в культуре in vitro Вариант Длина побега, см Коэффициент размножения, шт. Длина корня, см Кол-во корней, шт. Среда Андерсона 1,27±0,05 1,10±0,05 0,95±1,09 1,12±0,03 Среда Андерсона+SiO2 (50 мг/л) 1,54±0,08 1,00±0,04 1,88±0,27* 2,27±0,85* Среда Андерсона+SiO2 (100 мг/л) 1,43±0,08 1,22±0,1 1,83±0,47* 1,33±0,21 Среда Андерсона+SiO2 (150 мг/л) 1,65±0,09* 1,59±0,54* 1,59±0,54* 2,33±0,33* Среда Андерсона+ИУК (1,5 мг/л) 1,88±0,05* 1,40±0,16 1,01±0,09 3,26±0,13* Среда Андерсона+SiO2 (50мг/л)+ИУК (1,5 мг/л) 1,77±0,17* 1,05±0,05 1,24±0,08 4,76±0,44* Среда Андерсона+SiO2 (100мг/л)+ИУК (1,5 мг/л) 1,65±0,11* 1,00±0,03 1,19±0,09 4,38±0,61* Среда Андерсона+SiO2 (150 мг/л)+ИУК (1,5 мг/л) 1,95±0,12* 1,15±0,08 1,87±0,09* 4,44±0,63* * - достоверно при p≤0,05 Обнаружена тенденция к увеличению коэффициента размножения мериклонов рододендронов при внесении аморфного кремнезема на этапе укоренения. Введение диоксида кремния в количестве 50 мг/л в среду Андерсона не приводило к заметному увеличению числа побегов - оно составляло 1,00±0,04, что практически соответствовало контрольному показателю (1,10±0,05). Использование 100 мг/л диоксида кремния приводило к увеличению числа побегов в 1,1 раза (1,22±0,1, недостовер-но при p≤0,05). Применение среды, содержащей 150 мг/л диоксида кремния, приводило к увеличе-нию коэффициента размножения опытных растений в 1,4 раза (достоверно при p≤0,05). Количество побегов опытных растений при внесении 150 мг/л препарата составляло 1,59±0,54, контрольных - 1,10±0,05 (табл. 2). Изучали влияние внесения аморфного кремнезема в среду Андерсона на длину и количество корней. Использование питательной среды с диоксидом кремния в количестве 50 мг/л (без ИУК) приводило к двукратному увеличению средней длины корней мериклонов (рис. 3). В контрольном варианте длина корней мериклонов рододендронов составляла 0,95±1,09 см, при использовании 50 мг/л препарата - 1,88±0,27 см, 100 мг/л - 1,83±0,47 см. Использование для укоренения диоксида кремния в количестве 150 мг/л приводило к увеличению длины корней в 1,6 раза (1,59±0,54 см) по сравнению с контролем (достоверно при p≤0,05). Рис. 3. Влияние состава питательной среды на длину корней растений-регенерантов Rhododendron roseum (Loisel.) Rehder Изучали влияние препарата на среднее количество корней мериклонов рододендронов (табл. 2, рис. 4). Использование среды Андерсона, содержащей 50 мг/г аморфного кремнезема (без ИУК), приводило к увеличению числа корней в 2,3 раза по сравнению с контролем. В контрольном вариан-те корнеобразование слабое - число корней составляло 1,12±0,03 шт., при использовании кремнезема - 2,27±0,85 шт. (достоверно при p≤0,05). Использование среды с содержанием диоксида кремния 100 мг/л приводило к увеличению ко-личества корней в 1,2 раза, 150 мг/л - в 2,3 раза по сравнению с контрольным вариантом. Среднее число корней мериклонов рододендронов на питательной среде, содержащей 100 мг/л аморфного кремнезема, составило 1,33±0,21 шт., 150 мг/л - 2,33±0,33 шт. Данные оказались недостоверными при p≤0,05 при использовании 100 мг/л препарата (табл. 2, рис. 4). Рис. 4. Влияние состава питательной среды на число корней у растений-регенерантов Rhododendron roseum (Loisel.) Rehder Влияние аморфного кремнезема в сочетании с ИУК на укоренение растений-регенерантов Rhododendron roseum (Loisel.) Rehder в культуре in vitro Оптимальным для стимуляции корнеобразования рододендронов являлось применение среды Андерсона, содержащей диоксид кремния в сочетании с ИУК, результаты представлены в таблице 2 и на рисунках 3-5. Выявлено, что использование данной среды приводило к формированию более ка-чественных побегов, с большим количеством корней и листьев по сравнению с контрольным вариан-том (рис. 5). При культивировании регенерантов рододендронов на среде Андерсона, содержащей аморф-ный кремнезем и ИУК, длина побегов в 1,2 раза превышала аналогичный показатель при использо-вании среды, содержащей аморфный кремнезем без ИУК. Введение аморфного кремнезема в среду Андерсона для укоренения, содержащую 1,5 мг/л ИУК, практически не влияло на длину побегов растений-регенерантов рододендронов и их коэффи-циент размножения. При использовании среды Андерсона с 1,5 мг/л ИУК средняя длина побегов ро-додендронов составила 1,88±0,05 см, при введении в эту среду 50 мг/л диоксида кремния - 1,77±0,1 см, 100 мг/л - 1,65±0,11 см, 150 мг/л - 1,95±0,12 см (отличия недостоверны при p≤0,05). Коэффици-ент размножения в контрольном варианте (среда Андерсона для размножения рододендронов + 1,5 мг/л ИУК) составлял 1,40±0,16 шт., при использовании 50 мг/л диоксида кремния и 1,5 мг/г ИУК - 1,05±0,05 шт., 100 мг/л и 1,5 мг/г ИУК - 1,00±0,03 шт., 150 мг/л диоксида кремния и 1,5 мг/г ИУК - 1,15±0,08 шт. (отличия недостоверны при p≤0,05). Рис. 5. Влияние аморфного кремнезема на корнеобразование мериклонов Rhododendron roseum (Loisel.) Rehder в сочетании с ИУК. Сверху вниз: среда Андерсона, содержащая ИУК; среда Андерсона, содержащая ИУК и аморф-ный кремнезем в количестве 50 мг/л; среда Андерсона, содержащая ИУК и аморфный кремнезем в количестве 100 мг/л; среда Андерсона, содержащая ИУК и аморфный кремнезем в количестве 150 мг/л Изучали влияние сочетанного воздействия аморфного кремнезема и ИУК на длину корней ме-риклонов рододендронов в культуре in vitro (рис. 3). Выявлено, что оптимальной являлась среда, со-держащая 150 мг/л кремнезема и ИУК в количестве 1,5 мг/л - средняя длина корней составила 1,87±0,09 см, что в 1,85 раза больше по сравнению с контрольным вариантом (средняя длина корней - 1,01±0,09 см), отличия достоверны при p≤0,5. Использование среды, содержащей 50 мг/л и 100 мг/л диоксида кремния в сочетании с ИУК (1,5 мг/л), не приводило к существенным изменениям длины корней - отличия недостоверны при p≤0,05. Длина корней мериклонов рододендронов на среде, со-держащей ИУК и 50 мг/л диоксида кремния, составляла 1,24±0,08 см, на среде, содержащей 100 мг/л диоксида кремния и ИУК, - 1,19±0,09 см. Изучали влияние сочетанного воздействия аморфного кремнезема и ИУК на число корней у мериклонов рододендронов в культуре in vitro (рис. 4). Обнаружено, что внесение аморфного кремнезема в среду Андерсона для укоренения рододендронов, содержащую 1,5 мг ИУК, приводило к стимуляции корнеобразования. Оптимальным являлось использование среды с 50 мг/л диоксида кремния - в этом случае число корней превышало показатель контрольного варианта в 4,3 раза (до-стоверно при p≤0,05). При применении среды Андерсона без ИУК и аморфного кремнезема количе-ство корней составило 1,12±0,03 шт., среды Андерсона с ИУК без аморфного кремнезема - 3,26±0,13 шт., среды, содержащей 50 мг/л диоксида кремния и ИУК - 4,76±0,44 шт. Применение других концентраций аморфного кремнезема также стимулировало рост корней рододендронов. При использовании 100-150 мг/л кремнезема в сочетании с ИУК количество корней в 3,9 раза превышало показатель контрольного варианта и составляло 4,38±0,61 шт. и 4,44±0,63 шт. на среде, содержащей 100 мг/л и 150 мг/л кремнезема соответственно (достоверно при p≤0,05). Использование аморфного кремнезема в сочетании с ИУК (1,5 мг/г) являлось более эффектив-ным для стимуляции корнеобразования рододендронов по сравнению с применением сред с диокси-дом кремния, не содержащих ИУК. Использование аморфного кремнезема во всех изученных кон-центрациях в сочетании с ИУК приводило к увеличению длины корней в 1,5-2 раза по сравнению с вариантом без использования ИУК.

About the authors

Ye. V. Nemtsova

Bryansk State University named after Acad. I.G. Petrovsky


A. V. Harin

Bryansk State University named after Acad. I.G. Petrovsky


I. A. Razlugo

Bryansk State University named after Acad. I.G. Petrovsky


References

  1. Anderson W. C. Propagation of rhododendrons by tissue culture. 1. Development of a culture medium for multiplication of shoots // Comb Proc Int Plant Propag Soc. 1975.
  2. Avestan S., Naseri L. A., Hassanzade A., Sokri S. M., Barker A. V. Effects of nanosilicon dioxide application on in vitro proliferation of apple rootstock // Journal of Plant Nutrition. 2016. Vol. 39. № 6. P. 850-855. https://doi.org/10.1080/01904167.2015.1061550
  3. Balakhnina T., Borkowska A. Effects of silicon on plant resistance to environmental stresses // International Agrophysics. 2013. Vol. 27. № 2. P. 225-232. https://doi.org/10.2478/v10247-012-0089-4
  4. Epstein E. Silicon: its manifold roles in plants // Annals of applied Biology. 2009. Vol. 155. № 2. P. 155-160. https://doi.org/10.1111/j.1744-7348.2009.00343.x
  5. Jones K. W. Silicon in banana plants: uptake, distribution and interaction with the disease fusarium wilt. 2014. https://doi.org/10.14264/uql.2014.470
  6. Moriguchi T., Kozaki I., Matsuta N., Yamaki S. Plant regeneration from grape callus stored under a combination of low temperature and silicone treatment // Plant cell, tissue and organ culture. 1988. Vol. 15. № 1. P. 67-71. https://doi.org/10.1007/BF00039890
  7. Qing W., Huiying H., Jinwen Z. Effect of exogenous silicon and proline on potato plantlet in vitro under salt stress // China Vegetables. 2005. Vol. 9. P. 16-18.
  8. Radovet-Salinschi D., Cachita-Cosma D. Testing the regenerative capacity of Solanum tuberosum var. Gersa explants after 24 weeks storage in living collection // Analele Universitatii din Oradea, Fascicula: Ecotoxicologie, Zootehnie si Tehnologii de Industrie Alimentara. 2012. Vol. 11. P. 423-430.
  9. Sivanesan I., Park S. W. The role of silicon in plant tissue culture // Frontiers in plant science. 2014. Vol. 5. P. 571. https://doi.org/10.3389/fpls.2014.00571

Statistics

Views

Abstract - 0

PDF (Russian) - 0

Article Metrics

Metrics Loading ...

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies