PL164820B1

PL164820B1 - Srodek wspomagajacy fotosynteze roslin PL

Info

Publication number: PL164820B1
Application number: PL90285414A
Authority: PL
Inventors: Henri-Rene Langelin; Robert Goffin
Original assignee: Lhoist Rech & Dev Sa
Priority date: 1989-05-31
Filing date: 1990-05-31
Publication date: 1994-10-31
Also published as: EP0474649A1; FI102164B; WO1990015037A1; AU5658390A; HUT61957A; ES2057560T3; NO914723D0; ATE107917T1; IE901943L; IE65327B1; FI915612A0; FI102164B1; NO301069B1; US5552366A; DE69010334T2; DE69010334D1; PT94230A; HU904254D0; DK0474649T3; DD294845A5

Abstract

1. Srodek wspomagajacy fotosynteze roslin chlorofilowych, znamienny tym, ze za- wiera wode i ponizej 80 g/litr wodoroweglanu magnezowego o wzorze Mg(HCO3)2. PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest środek wspomagający fotosyntezę roślin chlorofilowych.

Aktywność metaboliczna roślin zależy od wielu czynników, z których najważniejsze są czynniki środowiskowe, a zwłaszcza klimat i zaopatrzenie w minerały (N, P, K, itp.). Dla oznaczania wpływu jednego czynnika na tę aktywność ma zasadnicze znaczenie z jednej strony kontrolowanie i utrzymywanie na stałym poziomie pozostałych czynników (zwłaszcza światła, wilgotności i temperatury), a z drugiej strony niezbędne jest dysponowanie pewną ilością odpowiednich technik umożliwiających szybkie i nie niszczące oznaczanie tej aktywności. Nie jest możliwe utrzymywanie na otwartej przestrzenijednocześnie na stałym poziomie oświetlenia, temperatury i zaopatrzenia w składniki mineralne, skąd konieczne jest prowadzenie hodowli w kontrolowanych warunkach, np. w termostatyzowanej komorze do hodowli, w której wszystkie czynniki utrzymywane są na stałym poziomie. W ostatnich latach opracowano szereg szybkich fizjologicznych testów in vivo wykorzystujących aktywność fotosyntetyczną roślin i mających na celu oznaczanie stanu zdrowia roślin. Te testy umożliwiły wyjaśnienie roli magnezu w aktywności roślin.

Wiadomo jest, że roztwór gleby zawiera jony Mg⁺² w stężeniu na ogół wyższym od stężenia jonów K+. Maiła zdolność korzeni do absorpcji jonów Mg+ nie jest związana wyłącznie z systemem korzeniowym ale także z innymi częściami rośliny. Hipotezę wyjaśniajacą małą zdolność absorbowania jonów Mg+ przez rośliny przedstawił C. Schimansky w pracy zatytułowanej The influence of certain experimental parameters on the flux characteristics of Mg⁺² opublikowanej w Land. Forsch., tom 34 (1982), str. 154-165. Zakłada ona istnienie specjalnego mechanizmu transportu jonów Mg⁺² przez błony komórkowe. Ten transport byłby przenoszeniem biernym modulowanym przez jonofory, w którym jon Mg⁺2 wędrował by w gradiencie elektrochemicznym. Współzawodnictwo jonowe działa tu na niekorzyść absorpcjijonu Mg⁺2 a na korzyść absorpcji nadmiaru innych kationów, zwłaszcza kationu K+ i kationu NH4 do tego stopnia, że następuje niedobór jonów Mg+“ w rośłrnie. Może być ograniczona nie tylko absorpcja lecz również przemieszczanie kationów Mg⁺2 z korzeni do części ponadgruntowych rośliny w wyniku współzawodnictwa jonowego jonów K+ lub jonów Ca⁺2. Z drugiej strony, aniony NO3 mogą oddziaływać pozytywnie na absorpcję jonu Mg⁺2

W pracy H. Grimme‘a i wsp. zatytułowanej Potassium, calcium and magnesium interactions as related to kation uptake and yield opublikowanej w Landw. Forsch., 30/11,1974, Zeszyt Specjalny, 93-100, wykazano, że można uzyskiwać wysokie stężenie jonów Mg⁺2 w roślinach przy dostarczaniu małej ilości jonów K+. Grimme stwierdza także, że obniżenie pH gleby prowadzi do dużego zwiększenia rozpuszczalności jonów glinu, co z kolei prowadzi do zmniejszenia absorpcji jonów Mg+2w korzeniach i liściach. Stwierdzono jednak, że na odwrót duże nagromadzenie jonów Mg+2 występuje w owocach i tkankach zapasowych mimo dostarczania dużej ilości jonów K+. Jon Mg⁺2 jest znacznie bardziej mobilny we fleomie i może łatwo być przenoszony ze starych do nowych liści, szczytów lub organów zapasowych rośliny.

Biochemiczną rolę magnezu w roślinach opisał D.A. Walker w pracy zatytułowanej Chloroplast and cell - The movement of certain key substances across the chloroplast envelope opublikowanej w Int. Review of Science, Plant. Bioch., Butterworths, Seria I, tom II, 1974, str. 1-49.

164 820

Doniesiono, że znaczna, wynosząca około 70%, część całkowitej ilości magnezu w roślinach występuje w postaci zdolnej do przenikania, związanej z nieorganicznymi anionami i z anionami kwasów organicznych, takich jak jabłkowy i cytrynowy.

Najważniejszą i najlepiej znaną biochemiczną funkcją magnezu jest jego obecność w centrum cząsteczki chlorofilu. Jednak część magnezu związana z tą funkcją stanowi tylko 15 do 20% całkowitej ilości magnezu obecnego w roślinie.

Funkcja jaką pełni magnez biorąc udział w wielu fundamentalnych reakcjach chemicznych powoduje, że jest on bardzo ważnym pierwiastkiem w roślinach. Uczestniczy on w procesie fosforylacji tworząc mostek pomiędzy pirofosforanową postacią ATP lub ADp i cząsteczką enzymu, co prowadzi do aktywacji ATPazy. Inne enzymy, takie jak dehydrogenaza i enolaza, są również aktywowane przez jon Mg+2 inną kluczową funkcją spełnianą przez magnez jest aktywowanie karboksylazy rybulozodwufosforanowej. Naświetlanie liści prowadzi do masowego dopływu jonów Mg⁺² do stromy i wymiany ich z protonami (H+), co stwarza optymalne warunki dla aktywności karboksylazy. To korzystne działanie jonów Mg⁺² w procesie asymilacji CO2 i związanego z tym wytwarzania cukrów jest prawdopodobnie wynikiem aktywowania karboksylazy rybulozodwufosforanowej.

Zgodnie z podglądem J. Barbera zawartym w pracy zatytułowanej influence of surface charges on thylakoid structure and function opublikowanym w Ann. Rev. Plant Physiol., 33, (1982), kation Mg⁺² jest najważniejszym kationem w procesie zobojętniania przenikających kationów w błonach tylakoidowych. Generalnie, gdy w roślinie występuje niedobór magnezu, zawartość azotu w postaci protein maleje a wzrasta ilość postaci nie białkowej. Niedobór protein jest prawdopodobnie wywoływany dysocjacją rybczomów na podjednostki przy nieobecności jonów Mg+2 Magnez wydaje się być stabilizatorem rybozomów w konfiguracji potrzebnej dla syntezy protein.

Objawy niedoboru magnezu są różne dla różnych gatunków roślin ale ogólna ich charakterystyka jest w pewnym zakresie taka sama. Niedobór magnezu widoczny jest najpierw w starych liściach a jego objawy przenoszą się następnie na młode liście. Generalnie liść żółknie aż do występowania martwicy chociaż żyłki pozostają zielone.

Ostatnio opracowano testy ilościowe służące do oznaczania aktywności fotosyntetycznej rośliny. Fotosynteza jest podstawą metabolizmu rośliny dzięki podstawowej roli jaką odgrywa w przekształcaniu energii świetlnej w energię chemiczną wykorzystywaną we wszystkich procesach metabolizmu i syntezy. Jest to złożony proces, w którym można wyróżnić dwa typy reakcji. Jedne z nich, zwane reakcjami świetlnymi, gdyż są zależne bezpośrednio od światła, wywołują akt fotochemiczny, w którym energia świetlna jest przekształcana w metabolity, co jest punktem wyjścia do syntezy węglowej i źródłem energii chemicznej. Inne reakcje, zwane reakcjami ciemnymi, towarzyszą aktowi fotochemicznemu, w którym powstają wyjściowe metabolizmy i polegają na syntezie lub regenaracji prekursorów. Akt fotochemiczny jest możliwy jedynie przy udziale absorbujących pigmentów.

Istnieją dwa systemy fotoreceptorów, z których jeden funkcjonuje w zakresie promieniowania czerwonego przy stosunkowo krótkich długościach fal (około 680 nm) i zwany jest PS2, a drugi przy większych długościach fal (700 nm) i nosi nazwę PSl. Oba te fotosystemy są połączone łańcuchem przenoszącym elektrony, składającym się z chinonów, plastochinonów i cytochromów.

Pigmenty liści roślin (chlorofile i karotenoidy) absorbują światło, którego energia jest wykorzystywana w pierwotnych reakcjach chemicznych procesu fotosyntezy. Część energii świetlnej jest absorbowana, aczkolwiek jest ona rozproszona w postaci ciepła (około 80%) albo reemitowana w postaci fluorescencji (około 2 do 3%).

Ta reemisja będąca chlorofilową fluorescencją zachodzi przy dłygościach fali wyższych niż zakres absorpcji chlorofili. Pomiar fluorescencji chlorofilu, która w temperaturach fizjologicznych pochodzi praktycznie z systemu PS2, daje cenne informacje o funkcjonowaniu mechanizmu fotochemicznego chloroplastów (Schreiber, 1983; Krause i Weis, 1984; Briantais i wsp., 1936). Informacje na ten temat można znaleźć w pracy Briantaisa i wsp. zatytułowanej Chlorophyll and fluorescence of higher plants: chloroplasts and leaves cytowanej przez Govindjeca i wsp. w Light emission by plants and bacteria, Academic Press, N,Y., str. 539-584.

164 820

W rzeczywistości, gdy liść zaadaptował się do ciemności i następnie jest znów wystawiony na działanie światła, wówczas wydajność fluorescencji chlorofilowej zmienia się zgodnie ze stosunkowo złożoną kinetyką (szybki wzrost intensywności fluorescencji a następnie powolny spadek do stanu stacjonarnego), ze względu na stopniowe aktywowanie mechanizmów fotosyntezy (to zjawisko indukcji fluorescencji zwane jest efektem Kautsky‘ego). Ta fluorescencja, obserwowana wyłącznie w przypadku tkanek aktywnie uczestniczących w fotosyntezie, zależy od różnych procesów fotochemicznych, które można badać pośrednio, np. badając stan redoks pierwotnych akceptorów elektronów w układzie fotoreceptorów systemu PS2, badając ustalanie się wywołanego fotosyntezą gradientu pH w chloroplastach (masowy pobór jonu Mg+ przez zrąb w miejsce protonów), itd. Gdy stan funkcjonalny błon fotosyntetyzujących ulegnie degradacji pod wpływem pewnych niekorzystnych czynników zewnętrznych, takichjak ciepło, zimno lub działanie substancji mineralnych, zmiana procesów fotosyntetycznych znajduje odzwierciedlenie w zmianie krzywych indukcji fluorescencji chlorofilu. Zaproponowano przeto stosowanie pewnych parametrów wyznaczonych na podstawie krzywych fluorescencji dla wykrywania warunków stresowych roślin.

Cechą zgodnego z wynalazkiem środka wspomagającego fotosyntezę roślin chlorofilowych, jest to, że zawiera wodę i poniżej 80 g/litr wodorowęglanu magnezowego o wzorze Mg(HCO3)2 jako aktywatora i/lub ożywiacza aktywności fotosyntetycznej roślin chlorofilowych.

Środek według wynalazku korzystnie zawiera około 20 g/litr wodorowęglanu magnezowego.

Środek według wynalazku jest jeszcze bardziej skuteczny gdy dodatkowo zawiera co najmniej jeden pierwiastek śladowy wybrany spośród manganu, miedzi, cynku, boru, molibdenu i żelaza.

Taki pierwiastek lub pierwiastki dodaje się zwykle w postaci węglanów, siarczanów, azotanów lub chlorków. W jednej z odmian sposobu według wynalazku dodaje się siarczan miedzi lub chlorek żelazowy.

Środek według wynalazku, przeznaczony do stosowania na liście roślin, pozwala na przyspieszenie procesu fotosyntezy u wszystkich roślin, zarówno drzew jak i traw. Pobudza on fotosyntezę u roślin chlorofilowych i likwiduje niedobory magnezu.

Do roztworu korzystnie dodaje się środki powierzchniowo czynne w celu poprawy penetracji związku lub związków przez liście lub igły do roślin.

Środek według wynalazku może również być podawany roślinom dotkniętym niedoborem magnezu lub jego dodatkowy magnezowy sztuczny nawóz.

Wodorowęglan magnezwoy jest rozpuszczalnym w wodzie półproduktem powstającym podczas wytwarzania zasadowego węglanu magnezowego w procesie Pattinsona (patrz brytyjskie zgłoszenie patentowe nr A- 9102) lub w wywodzącym się z niego podobnym procesie (patrz światowe zgłoszenie nr A-8403490).

W procesie Pattinsona jako materiał wyjściowy stosuje się dolomit lub magnezyt, które zawierają tlenek wapnia. W celu usunięcia tlenku wapnia, magnez rozpuszcza się za pomocą karbonizacji, tworząc wodorowęglan magnezowy, który sączy się pod ciśnieniem CO2 dla usunięcia nierozpuszczalnego węglanu wapniowego. Po przesączeniu, znajdując się pod ciśnieniem roztwór wodorowęglanu magnezowego rozpręża się.

W procesie przedstawionym w publikacji zgłoszenia PCT nr WO-A-8403490jako materiał wyjściowy stosuje się zawierający żelazo magnezyt. Tak jak w procesie Pattinsona, magnezyt poddaje się karbonizacji w wodnym roztworze dla przekształcenia magnezu w rozpuszczalny w wodzie pod ciśnieniem CO2 wodorowęglan magnezowy oraz żelaza w nierozpuszczalny węglan żelaza. Nierozpuszczalne związki odsącza się pod ciśnieniem CO2. Po przesączeniu wolny od żelaza wodorowęglan magnezowy rozpręża się.

Gdy ciśnienie nad roztworem wodorowęglanu magnezowego, wynoszące 5-10x10⁵ Pa, zostanie obniżone w temperaturze poniżej 40°C do ciśnienia atmosferycznego, wytrąca się osad zasadowego węglanu magnezowego o wzorze (MgCO3)4.Mg(OH)2.4H2O, który nie wykazuje żadnych specjalnych właściwości znanych w fizjologii roślin.

164 820

Środek według wynalazku można wytwarzać w miejscu jego stosowania na rośliny. Zgodnie z tym nowym sposobem wytwarzania in situ czysty tlenek magnezu o wysokiej reaktywności w stosunku do dwutlenku węgla miesza się w reaktorze z wodą i otrzymaną zawiesinę nasyca się pod ciśnieniem gazowym dwutlenkiem węgla w temperaturze poniżej 40°C, korzystnie około 10°C, pod ciśnieniem cząstkowym CO2 powyżej 5x10⁵ Pa.

Ten etap procesu wykazuje pewne podobieństwo do procesu opisanego w publikacji zgłoszenia patentowego PCT nr WO-A-8403490 w odniesieniu do wytwarzania trójwodzianu węglanu magnezowego i zasadowego węglanu magnezowego. Jednak zamiast dolomitu zawierającego żelazo lub magnezytu prażonych w temperaturze powyżej 800°C, jako materiał wyjściowy w tym sposobie stosuje się czysty syntetyczny denek magnezu. Jest on wytwarzany drogą kalcynacji w temperaturze około 600°C hydromagnezytu nie zawierającego wapnia i żelaza lub kalcynacji w temperaturze około 450°C wodorotlenku magnezowego. Tak otrzymany tlenek magnezu ma postać drobnego proszku o powierzchni właściwej 80-200 m²/g (BET) i średnicy ziaren od 1 do 20 mikronów. Charakteryzuje się on wysoką reaktywnością w stosunku do dwutlenku węgla.

Tlenek magnzu miesza się z wodą i otrzymaną zawiesinę poddaje się reakcji z gazowym dwutlenkiem węgla podawanym do górnej części reaktora.

Korzystnie, tlenek magnezu wytwarza się przez kalcynację magnezytu. Ciśnienie dwutlenku węgla w reaktorze utrzymuje się na poziomie powyżej 5x10⁵ Pa.

W odróżnieniu od znanych sposobów, produkt reakcji jest rozcieńczony wodą w celu uniknięcia przedwczesnego wytrącania wodorowęglanu magnezowego i tak rozcieńczony roztwór zawiera mniej niż 80 g/litr, korzystnie 20 g/litr Mg(HCO3)2.

W drugim etapie procesu wodny roztwór Mg(HCO3>2 rozcieńcza się przed obniżeniem ciśnienia do atmosferycznego. Otrzymuje się preparat w postaci i w stężeniu odpowiednim do bezpośredniego stosowania w charakterze aktywatora fotosyntetycznej aktywności roślin metodą ich opryskiwania.

W omawianym sposobie wykorzystuje się tlenek magnezu o wielkości cząstek poniżej 20 mikronów, korzystnie około 10 mikronów.

Odpowiednie urządzenie do wytwarzania roztworu wodorowęglanu magnezowego metodą periodyczną pokazano schematycznie na fig. 11. Urządzenie składa się ze zbiornika R0 przeznaczonego do sporządzania zawiesiny dobrze sproszkowanego tlenku magnezu w wodzie, zbiornika R1 na czysty dwutlenek węgla pod ciśnieniem 20Χ10⁵ Pa, głównego reaktora R2 wyposażonego w silne mieszadło przeznaczonego do przeprowadzenia operacji absorpcji CO2 i przekształcania tlenku magnezu w wodorowęglan magnezowy w roztworze, oraz reaktora przesyłowego R2 połączonego ze zbiornikiem R1 i głównym reaktorem R2. Każdy z reaktorów R2 i R3 jest wyposażony we wskaźniki poziomu N1, N2, N3, N4 oraz mierniki ciśnienia P1 i P2.

Oddzielnie kontrolowane pneumatyczne zawory umożliwiają stosowanie różnych sekwencji operacji składających się na cykl produkcji. Schemat postępowania jest następujący.

Tlenek magnezu zawiesza się w wodzie i napływa reaktor R2 do poziomu N1. Gdy zostaje osiągnięty poziom N1 detektor poziomu przesyła polecenie zamknięcia zaworu V_o, otwarcia zaworu V1 (za pośrednictwem przekaźnika Pi) i uruchomienia mieszadła. Pozostałe zawory V2 do V6 pozostają zamknięte.

Reakcja zachodzi według następującego schematu:

Mg(OH2)2 + 2CO2 -> Mg(HCO3)2

Gdy ciśnienie dwutlenku węgla osiągnie na szczycie głównego reaktora R2 wartość 5x10⁵ Pa przekaźnik ciśnieniowy P1 zamyka zawór V1. Zawór V1 zamyka się przy ciśnieniu 5x10⁵ Pa i otwiera przy 4.8x10⁵ Pa, ma on tylko dwie pozycje, całkowicie otwarty lub zamknięty.

Po około 15 minutach utrzymywania się ciśnienia 5x10⁵ Pa reaktor R2 rozpoczyna przesyłanie. Pozostała w głównym reaktorze R2, zawiesina CO2 umożliwia przepychanie wodnego roztworu wodorowęglanu magnezowego do reaktora przesyłowego R3. W tym celu, główny reaktor R2 jest połączony z reaktorem przesyłowym przewodem 5 usytuowanym w sąsiedztwie jego dolnej części. Reaktor przesyłowy R3 jest zamkniętym urządzeniem zaopatrzonym w jego dolnej części w przewód 4 przeznaczony do doprowadzania gazowego dwutlenku węgla i wytwarzania w nim ciśnienia.

164 820

Reaktor przesyłowy jest korzystnie wyposażony w odpowietrznik Vą i wyposażenie V2, P3 i N3 przeznaczone do regulacji ciśnienia i poziomu cieczy.

Specjalne właściwości fizjologiczne rozcieńczonego roztworu wodorowęglanu magnezowego ujawniono za pomocą poniższych porównawczych testów.

Podczas porównawczych testów, dwa gatunki trawiaste (jęczmień i kukurydza) poddawano dwóm sposobom zasilania, normalnemu (z magnezem) i drugiemu bez magnezu. Spadek aktywności fotosyntetycznej normalnych roślin kontrolnych i roślin z niedoborem magnezu śledzono w testach za pomocą pomiarów ekstynkcji fluorescencji chlorofilowej (qQ) i wydajności kwantowej (rQ).

Takie same testy prowadzono równolegle na na gatunku drzewiastym, a mianowicie świerku pochodzącym z lasu wykazującego objawy więdnięcia i nidobory magnezu.

Składnik fotochemiczny fluorescencji chlorofilu (qQ) jest oznaczony za pomocą fluorymetru PAM 101-102-103 (firma Waltz, Effeltrich, RFN), wykorzystując fluorescencję modulowaną i indukowaną. Przykład krzywej fluorescencji mierzonej za pomocą tego fluorymetru pokazano na fig. 1. Modulowaną fluorescencję uzyskuje się stosując krótkie impulsy (1 ps) światła czerwonego o częstotliwości 1,6 kHz. Wzbudzające światło (A) o bardzo małym natężeniu (całkowita wartość 0,5 (PE/m2/sek), takiego rodzaju, że nie inicjuje indukcji, jest wytwarzane przez emitującą światło diodę (650 nm). Takie wzbudzające światło (A) umożliwia pomiar początkowego poziomu fluorescencji F0. Indukcję fluorescencji chlorofilowej wywołuje się za pomocą drugiego światła, białego (B) niemodulowanego i o większym natężeniu (800 μE/m2/sek) wytwarzanego przez 150 w lampę halogenową (Osram Xenoplot HLX). Indukcję mierzy się przy częstotliwości 110 kHz w celu silnego zredukowania pasożytniczego szumu i znacznego zwiększenia czasu reakcji aparatu. Maksymalny poziom fluorescencji chlorofilu jest oznaczany przez dodanie błysku (1s) białego światła (C) o bardzo dużym natężeniu, nasycając dla transferu elektronów (800 pE/m2/sek). W tych badaniach pomiary wykonywano w temperaturze otoczenia (25°C). Metody obliczania stosowane dla oceny składnika fotochemicznego ekstynkcji fluorescencji dla początkowego, stałego i maksymalnego poziomu fluorescencji objaśniono na fig. 1. Wszystkie gęstości strumienia elektronów mierzono za pomocą radiometru Li-Cor 188 B.

Wydajność kwantowa (rQ) jest miarą wydajności konwersji energii świetlnej w energię chemiczną podczas fotosyntezy. Oznacza się ilość moli O2 wytwarzanego (lub CO związanego) na mol kwantów aktywnego fotosyntetycznie promieniowania PAR (o długości fali 400 do700 nm). Pomiar wytwarzania CO wykonywano stosując krążki z liści, za pomocą elektrody Clarka typu Hansatech LD2. Wyniki pomiarów przedstawiono graficznie na fig. 2 i 3. Obniżenie krzywej obrazuje zmniejszenie fluorescencji chlorofilu w liściu (niestresowanej) pszenicy twardej odmiany Clairdoc. Liść rośliny po zaadaptowaniu go do ciemności był najpierw naświetlany bardzo słabym modulowanym światłem A w celu oznaczenia poziomu O fluorescencji (F₀). Zmienną fluorescencję (F_v) indukowano za pomocą drugiego światła (nie modulowanego i większym natężeniu), światła B i światła C. Dodatek wysycającego błysku światła C indukuje wzrost fluorescencji (F) do maksymalnego poziomu. Z wartości F₀, F_v i F było możliwe obliczanie qQ stosując następujący wzór:

^qQ=(F+F_v)

Tabela 1

Wyniki pomirów wydajności kwantowej (rQ) dla roślin nie pozbawionych magnezu (kontrola) i pozbawionych magnezu. Standardowe odchylenia podano w nawiasach.

Rośliny	Kontrola	Bez magnezu
Jęczmień	0,57 (± 0,04)	0,27 (±0,03)
Kukurydza	0,55 (± 0,07)	0,22 (±0,02)
Świerk	0,52 (± 0,02)	0,11 (±(0,02)

164 820

Tabela 1 pokazuje duże zmniejszenie (około 55% w stosunku do kontroli) wytwarzania O2 przez rośliny z niedoborem magnezu, co wskazuje na duże zahamowanie aktywności fotosyntetycznej, prawdopodobnie ze względu na zmiany w procesach fotochemicznych chloroplastów będące rezultatem niedoboru magnezu.

Figura 2 ilustruje zmiany składnika fotochemicznego (qQ) ekstynkcji fluorescencji chlorofilowej indukowanej światłem w czasie, dla pszenicy ozimej, po podaniu Mg(HCO3)2 roślinom kontrolnym F, które otrzymywały odżywczy roztwór zawierający magnez, roślinom z niedoborem magnezu otrzymującym odżywczy roztwór bez magnezu (G) oraz roślinom J otrzymującym odżywczy roztwór bez magnezu ale, którym podawano do liści za pomocą opryskiwania wodny roztwór zawierający 20 g/litr wodorowęglanu magnezowego.

Figura 3 ilustruje zmiany składnika energetycznego (qE) ekstynkcji fluorescencji chlorofilowej indukowanej po 6 dniach opryskiwania pszenicy ozimej.

Tabela 2

Wyniki pomiarów ekstynkcji fotochemicznej fluorescencji chlorofilowej (qQ) dla roślin me pozbawionych magnezu (kontrola) i pozbawionych magnezu. Standardowe odchylenia podano w nawiasach.

Rośliny	Kontrola	Bez magnezu
Jęczmień	0,91 (±0,08)	0,57 (±0,13)
Kukurydza	0,89 (± 0,07)	0,52 (± 0,05)
Świerk	0,92 (± 0,05)	0,51 (±0,08)

Tabela 2 wskazuje na silne hamowanie reoksydacji podstawowych receptorów systemu fotoreceptorowego PS2. Te wyniki wskazują na ważne zmiany w ultrastrukturze chloroplastów. Chevalier i Huguet (1975) podczas badania wpływów niedoboru magnezu na ultrastrukturę chloroplastów liści jabłoni obserwowali, że odżywanie nie zawierające odpowiedniej ilości magnezu prowadzi do deformacji lameralnej struktury chloroplastów. Widocznie magnez jest pierwiastkiem stabilizującym błony tylakoidowe chloroplastów. Struktura lameralnajest bardzo ważna dla strukturalnej organizacji łańcucha przenoszącego elektrony.

Na fig. 4 przedstawiono organizację przestrzenną składników systemu fotosyntetycznego w błonach tylakoidowych składające się z trzech typów kompleksów chloroproteinowych, opisanych w pracy Andersona i Andersona w 1982 roku. Są to:

- kompleks LHCP (kompleks chlorofilowo-proteinowy zbierający światło);

- system fotoreceptorowy PS1 charakteryzujący się pigmentem absorbującym P 700;

- system fotoreceptorowy PS2 charakteryzujący się pigmentem absorbującym P 680.

Połączenie pomiędzy PS2 i PS1 zachodzi poprzez łańcuch nośników elektronów składających się z chinonów (Q), plastochinonów (PQ), cytochromów (Cyt) i plastocyjanian (PC).

Na fig. 4 widać, że systemy fotoreceptorów PS2 przylegają do strefkanalików 1, natomiast wszystkie systemy fotorecepturowe PS1 są usytuowane w strefach nie zawierających kanalików 2 błon tylakoidowych. Naruszenie tego ułożenia prowadzi do hamowania przenoszenia elektronów w łańcuchu i tym samym hamowania aktywności fotosyntetycznej rośliny. Thomson i Weir (1962) zaobserwowali u Phaseolus vulgaris pozbawionej magnezu zmniejszenie ilości gran oraz zmniejszenie lub brak całkowity ich łączenia w przedziały. Obserwowali oni także akumulacje ziarnek skrobi.

Kukurydzę i jęczmień hodowano w cylindrycznych naczyniach o wysokości 70 cm i średnicy 25 cm, na obojętnym podłożu (kwarc). W celu wywołania niedoboru podawano odżywczy roztwór nie zawierający magnezu o następującym składzie:

Ca(NOj)2.4H2O 23,17 g

KNO3 11,55 g

K2HPO4 9 g

K2SO4 4,57 g

164 820

Pierwiastki śladowe (żelazo schelatowane, siarczan miedzi, siarczan cynku, siarczan magnezu, kwas borowy, siedmiomolibdenian amonowy, wszystkie w ilościach pokrywających wymagania hodowlane).

Stosowano 25 naczyń, które podzielono na pięć rzędów. W każdym naczyniu zasadzono pięć ziaren kukurydzy. Do pierwszego rzędu podawano odżywczy roztwór z magnezem a do czterech pozostałych odżywszy roztwór bez magnezu. W stadium 6 liści liście roślin opryskiwano następująco: (1) drugi rząd destylowaną wodą (niedobór magnezu), (2) trzeci rząd roztworem Mg(HCO3)2 w ilości 8 kg/ha (około 2 ml/roślinę), (3) czwarty rząd chlorkiem magnezu, i (4) piąty rząd wodorowęglanem sodowym. Pierwszy rząd, zaopatrywany normalnie w magnez służył do koniroll.

Pomiary wydajności kwantowej (rQ) i fluorescencji chlorofilowej prowadzono dla czterech rzędów roślin kukurydzy pozbawionych magnezu, w których pierwszy (F) był nie opryskiwany, drugi (G) opryskiwany do liści roztworem zawierającym 20 g/litr wodorowęglanu magnezowego, trzeci opryskiwano roztworem chlorku magnezu, i czwarty opryskiwano roztworem wodorowęglanu sodowego. Pomiary wykonywano w 0, 4 i 10-15 dniu po opryskiwaniu liści. Fig. 5 lustruje wzrost wydajności kwantowej w czasie.

Pomiary składnika fotochemicznego (qQ) wykonywane były w dniu 0 i po 1, 4, 6 i 10-15 dniach od opryskiwania roślin kontrolnych (K) i roślin kukurydzy w czterech rzędach pozbawionych magnezu, z których pierwszy (L) był nie opryskiwany, drugi (M) opryskiwano do liści wodnym roztworem zawierającym 20 g/litr wodorowęglanu magnezowego, trzeci (N) opryskiwano roztworem chlorku magnezu, i czwarty (O) opryskiwano wodnym roztworem zawierającym 20 g/litr wodorowęglanu sodowego (fig. 6). Na rysunku widać, że szóstego dnia rośliny opryskiwane roztworem Mg(HCO3)2 odzyskały już aktywność fotosyntetyczną prawie do poziomu wykazywanego przez rośliny kontrolne, i że po 15 dniach aktywność ta jest nawet większa niż roślin kontrolnych zaopatrywanych normalnie w magnez.

Po upływie zaledwie czterech dni obserwuje się wyraźnie widoczne objawy zaniku niedoboru magnezu u roślin, którym podawano Mg(HCOs)2 (zanik żółtozielonych prążków pomiędzy żyłkami). Oznacza to, że następuje wyjątkowo szybkie przenikanie do liści magnezu w postaci wodorowęglanu i przywrócenie funkcjonalnej struktury chloroplastów. Po podaniu chlorku magnezu (MgCh) po upływie czterech dni obserwowano pojawienie się martwicy liści. Chlorek magnezowy jest toksyczny przy podaniu do liści. Po podaniu NaHCO3 przejściowe stymulowanie wydajności kwantowej zanotowano dla traktowanych roślin w ciągu pierwszych dni. Jest to wyłącznie wynikiem podawania do liści CO2 uwalniającego się z wodorowęglanu sodowego.

Do oznaczania dwutlenku węgla uwalnianego z liści i pochodzącego z Mg(HCO3)2 stosowano technikę, w której krążki wycięte z liści umieszczono w komorze z kontrolowanym przepływem powietrza. Dwutlenek węgla z powietrza może być usuwany za pomocą kolumny z wodorotlenkiem sodowym. Aktywność fotosyntetyczną oznaczono mierząc fluorescencję chlorofilową (qQ). Usuwanie CO2 z powietrza prowadzi do hamowania wiązania CO2, konsekwencją czego jest zmniejszenie fluorescencji chlorofilowej. Wykonano trzy następujące serie pomiarów qQ:

- dla kontrolnych krążków z liści w obecności CO2,

- dla kontrolnych krążków przy nieobecności CO2,

- dla krążków z liści opryskiwanych Mg(HCO3)2, przy nieobecności CO2.

Krążki sporządzano z liści jęczmienia w stadium 2 liści.

Zmiany w wielkości składnika fotochemicznego ekstynkcji fluorescencji chlorofilowej natychmiast po indukcji światłem przedstawiono na fig. 7. Krzywa kontrolna (oznaczona P) odpowiada testowi, z którym nie usuwano CO2 z powietrza krążącego w komorze. Krzywa dotycząca opryskiwanego jęczmienia (oznaczona T) odpowiada testowi podczas którego dwu tlenek węgla był usuwany z powietrza drogą absorpcji na kolumnie z wodorotlenkiem sodowym.

Z figury 7 widać, że przy nieobecności CO2 w powietrzu zakłócenie fluorescencji chlorofilowej qQ w czasie jest znacznie mniejsze dla krążków z opryskiwanych liści (krzywa S) niż dla kontrolnych (krzywa S). Przywrócenie qQ występujące w przypadku opryskiwanych krążków (krzywa S) może być jedynie wyjaśnione uwalnianiem się wewnątrz liści CO2 z Mg(HCO3)₂. To uwalnianie się CO2 w liściach może grać pobudzającą rolę w przypadku roślin z niedoborem magnezu opryskiwanych Mg(HCO3)2, pozwalajac na przyspieszenie przywrócenia aktywności fotosyntetycznej w poprzednich testach.

Młode sadzonki pochodzące z plantacji świerku dotkniętych objawami więdnięcia i wykazującymi objawy niedoboru magnezu stosowano do testowania. Świerki sadzono w glebie, z której zostały pobrane i opryskiwano destylowaną wodą. Połowę tych drzew U opryskano preparatem według wynalazku w dawce 8 kg/ha (2 ml/roślinę) a druga połowa V służyła jako kontrolna. Pomiary fluorescencji chlorofilowej (qQ) prowadzono w dniu 0 i po 14 i 150 dniach po opryskiwaniu liści.

Wyniki przedstawiono graficznie na fig. 8. Testy kontrolne reprezentowane linią V wykazują względnie stałą modulowaną fluorescencję, natomiast testy na drzewach młodych świerków zaatakowanych przez kwaśny deszcz i opryskiwanych roztworem wodorowęglanu magnezowego są reprezentowane przez linię U. Linia E pokazuje przywrócenie aktywności fotosyntetycznej po upływie siedmiu dni od opryskiwania omawianym preparatem. Igły opryskiwanych drzew odzyskują ciemnozieloną barwę po czterech zaledwie dniach. Wskazuje to, że w przypadku igieł świerka penetracja magnezu w postaci Mg(HCO3)2 zachodzi bardzo szybko. Po czterech miesiącach opryskiwania obserwowano pojawienie się młodych odrośli, które w piątym miesiącu osiągały długość 10 do 15 cm. Wskazuje to na to skuteczne i spektakularne odrastanie powtórne młodych odrośli, podczas gdy drzewa kontrolne nie formowały odrośli lub wyjątkowo któtkie, które osiągały zaledwie długość 1 cm i szybko żółkły.

Dalsze próby prowadzono na otwartych polach. Wyniki poniższych porównawczych badań przedstawiono w postaci tabel.

Badania hodowlane na ozimej pszenicy prowadzono w Liberchies.

Charakterystyka gleby Zawartość P (mg/100 g): Zawartość K (mg/100 g); Zawartość Mg (mg/100 g): Zawartość Ca (mg/100 g): Zawartość C (%): Zawartość N (%): Zawartość Fe (ppm): Zawartość Cu (ppm): Zawartość Mn (ppm): Zawartość Zn (ppm): pH (KCl):

wysoka 11 średnia 8,3 średnia

245 bardzo wysoka 0651 nśska 0,113

105 Iśednia 391 średnia 37 niska 7 średnia 7,7 wysoide

Każdą próbę powtarzano cztery razy. Próba nr 1 dotyczy roślin kontrolnych, których liście nie były opryskiwane preparatem wodorowęglanu magnezowego. Próba nr 2 dotyczy roślin, których liście opryskiwano wodorowęglanem magnezu w dawce 3 kg Mg/ha (to znaczy 5 litrów wodnego roztworu zawierającego 25 g/litr Mg(HCO3)2 albo 7,15 g/l magnezu na jedno pole o powierzchni 120 m2).

Opryskiwanie prowadzono w stadium ostatniego liścia w celu przedłużenia i stymulowania aktywności fotosyntetycznej i zapewnienia lepszego wypełnienia ziarnem bez wystąpienia zjawiska marszczenia się ziarna pod wpływem słońca.

Wyniki testu przedstawiono w tabeli 3.

Tabela 3

	Rodzaj próby	Wydajność przy 14% wilgotności	Ciężar właściwy pszenicy	Przyrost w stosunku do kontroli kg/ha
kg/ha	% kontroli	kg/hl	% kontroli
Próba nr 1	Kontrola
	1	8260		76,8
	2	7980		73,3
	3	7870		76,0
	4	8460		74,9
	Średnia Standadowe	8143	100,0	75,3	100,0	0
	odchylenie	268		1,5
Próba nr 2	Mg(HCO3)2
	1	8330		74,1
	2	8520		76,2
	3	8410		74,2
	4	8670		76,5
	Średnia Standardowe	8483	104,2	75,3	100,0	340
	odchylenie	147		1,3

Po stosowaniu Mg(HCOa)2 w stadium ostatniego liścia, wzrost wydajności wyniósł 4,2%, co oznacza przyrost o 340 kg/ha w porównaniu z próbami kontrolnymi.

Stosowanie w stadium pełnego ukrzewienia także wywierało korzystny wpływ.

Analiza wariancji z uwzględnieniem dwóch kryteriów wykazuje: (1) brak efektu blokowania, (2) prawdopodobnie znaczący wpływ stosowania (ryzyko błędu pierwszego rodzaju wynosi a = 6%).

Przyrost wydajności występuje bez zmniejszania ciężaru właściwego.

Badania hodowlane na ziemniakach odmiany Bintje prowadzono w Franse-lez-Anvaing (Arc-Ainieres).

Każdą próbę powtarzano cztery razy. Próba nr 1 dotyczy roślin kontrolnych, których liście nie były opryskiwane preparatem zawierającym wodorowęglan magnezowy. Próba nr 2 dotyczy roślin ziemniaków, których liście opryskiwano preparatem zawierającym wodorowęglan magnezowy w ilości 3,5 kg Mg/ha (to znaczy 6 litrami wodnego roztworu zawierającego 25 g/litr Mg(HCO3)2 albo 7,15 g/litr magnezu na jedno pole o powierzchni 120 m ). Stosowanie odbywało się w stadium wzrostu łodyg. Wyniki testów przedstawiono w tabeli 4.

Tabela 4

Rodzaj próby	Wydajność przed suszeniem	Sucha masa	Wydajność suchej masy
10³xkg/ha	% kontroli	%	% kontroli	kg/ha	% kontroli
1	2	3	4	5	6	7
Próba 1 Kontrola
1	58,82		16,9		9941
2	68,34		16,8		11451
3	65,28		18,7		12207
4	78,16		18,6		14166
Średnia Standardowe	67,15	100,0	17,8	100,0	11949	100,0
odchylenie	7,20				1757

ciąg dalszy tabeli 4
1	2	3	4	5	6
Próba 2 Mg(HCO3)2
1	66,30			18,5			12266
2	81,94			18,5			15159
3	65,62			17,9			11746
4	82,62			18,4			15202
Średnia Standardowe	74,12	110,4		18,3		103,3	13593	113,8
odchylenie	9,43						1756

Jednokrotne stosowanie wodorowęglanu magnezowego w stadium szybkiego wzrostu rośliny prowadziło do zwiększenia wydajności przed suszeniem o 10,4%, to znaczy zwiększenie wydajności w stosunku do prób kontrolnych o 6,97 x10³ kg/ha.

Analiza wariancji z uwzględnieniem dwóch kryteriów wykazuje: (1) występowanie prawdopodobnie istotnego efektu blokowania (a = 6%), (2) występowanie prawdopodobnie istotnego wpływu stosowania (α = 8%).

Procentowy wzrost ilości suchej masy w porównaniu z próbami kontrolnymi wynosi 3,3%. Jest to korzystne jeśli produkt jest przeznaczony do przerobu przemysłowego.

Wzrost wydajności suchej masy w stosunku do prób kontrolnych wynosi 13,8%.

Badania hodowlane nad kukurydzą pastewną odmiany KEO prowadzono w Frasne-lezAnvaing (Arc-Ainieres).

Każdą próbę powtarzano cztery razy. Próba nr 1 dotyczy roślin kontrolnych, których liście nie były opryskiwane preparatem zawierającym wodorowęglan magnezowy. Próba nr 2 dotyczy roślin kukurydzy, których liście opryskiwano preparatem zawierającym wodorowęglan magnezowy, w ilości 3,5 kg Mg/ha (to znaczy 6 litrów wodnego roztworu zawierającego 25/g/litr Mg(HCO3)₂ albo) 7,15 g/litr magnezu na jedno pote o powieezchni 120 m²).

Stosowanie odbywało się w stadium 5-6 liści, w okresie gdy u młodych roślin rozpoczyna się okres szybkiego wzrostu. Jest oczywiste, że w tym stadium wychwytywanie przez listowie nie oest optymalne, i że znaczna część produktu s^da na ziemię.

Pole sąsiaduje z polem z ziemniakami o których badaniu dyskutowano uprzednio. Zawartość wymienialnych pierwiastków odżywczych i wartość pH były odpowiednie, nie stwierdzono także niedoboru magnezu pochodzącego z gleby.

Wyniki badań przedstawiono w tabeli 5.

Tabela 5

Rodzaj próby	Wydajność zielonej masy	Sucha masa	Wydajność suchej masy
10³xkg/ha	% kontroli	%	% kontroli	kg/ha	% kontroli
1	2	3	4	5	6	7
Próba 1 Kontrola
1	78,75		18,3		14441
2	71,75		17,5		12556
3	89,25		18,7		16690
4	86,62		18,7		16198
Średnia Standardowe	81,59	100,0	18,3	100,0	14971	100,0
odchylenie	4,85				821

ciąg dalszy tabeli 5

1	2	3	4	5	6	7
Próba 2 Mg(HC03)2
1	81,38		18,7		15218
2	75,25		19,5		14674
3	86,63		18,6		16113
4	83,85		19,6		16435
Średnia Standardowe	81,78	100,2	19,1	104,4	15610	104,3
odchylenie	7,93				821

Chociaż brakjest istotnej różnicy w wytwarzaniu zielonej masy, to prawdopodobna istotna różnica w procentowej zawartości suchej masy (α = 7%) prowadzi do prawdopodobnie istotnego zwiększenia suchej masy (α = 9%) o 4,3% w porównaniu z próbą kontrolną, co oznacza wzrost o 639 kg suchej masy z hektara.

W yższa zawartość procentowa suchej masy pozwala na przypuszczenie zwiększenia ilości protein i wartości energetycznej produktu.

Obserwuje się także zwiększoną zawartość magnezu w paszy, chociaż często występuje niedobór pierwiastka w paszy.

Badania hodowlane buraka cukrowego odmiany Allyx prowadzono w Frasnes-lez-Anvaing (Montroeul-au-Bois).

Charakterystyka gleby

Zawartość P (mg/100 g): 12 wysoka

Zawartość K (mg/100 g): Zawartość Mg (mg/100 g): Zawartość Ca (mg/100 g): Zawartość C (%): Zawartość N (%): Zawartość Fe (ppm): Zawartość Cu (ppm): Zawartość Mn (ppm): Zawartość Zn (ppm): pH (KCl):

wysoya

5,1 niska

350 bardzo wysoka I1I5 średnia 0,899

115 średnea

3,6 rredma 36 niska 10 średnia

7,6 tysscle

Próby prowadzono bez powtarzania. Próba nr 1 dotyczy roślin kontrolnych, których nie opryskiwano preparatem wodorowęglanu magnezowego. Próby nr 2,3 i 4 dotyczą roślin buraka cukrowego poddawanym odpowiednio jednemu, dwum i trzem opryskiwaniom wodorowęglanem magnezowym.

Dawka magnezu jest teoretyczna. Produkt stosowano w czystym stanie bez uwzględniania procentu wytrącania. Opryskiwanie prowadzono w stadium 10-12 liści przed ogławianiem.

Wyniki badań przedstawiono w tabeli 6.

Tabela 6

Dawka kg Mg/ha	Wydajność korzeni	Całkowity % cukru	Wydajność cukru
t/ha	% kontroli	%	% kontroli	kg/ha	% kontroli
Próba 1 0 kg/ha	58,28	100,0	16,1	100,0	9382	100,0
Próba2 1 kg/ha	55,13	94,6	16,3	101,2	8936	95,8
Próba3 2 kg/ba	60,30	103,5	16,2	100,6	9769	104,1
Próba 4 3 kg/ha	72,00	123,5	16,5	102,5	11880	126,6

Przy podawaniu małej dawki wydajność korzeni ulega prawdopodobnie nieistotnemu zmniejszeniu w porównaniu z próbą kontrolną. Tylko powyżej pewnej dawki ujawniają się różnice, zwłaszcza przy 10,5 kg Mg(HCO3)2ha, co odpowiada 3 kg Mg/ha. Uzyskuje się wtedy znaczny przyrost wynoszący 23,5%. Fig. 9 ilustruje wydajność korzeni jako funkcję wielkości dawki magnezu podawanego w postaci Mg(HCOs3)2.

Figura 10 pokazuje, że wydajność cukru z hektara wzrasta wraz z podawaniem większych dawek produktu. Wydajność cukru ulegajeszcze większemu zwiększeniu niż wydajność korzeni i wynosi 26,6% przy dawce 10,5 kg Mg(HCO3)2/ha (teoretycznie 3 kg Mg/ha).

Badania fizjologiczne prowadzone w laboratorium potwierdzają wyjątkowo szybkie działanie preparatu zawierającego wodorowęglan magnezowy na cierpiące na niedobór magnezu rośliny. Badania potwierdzają również całkowite przywracanie aktywności fotosyntetycznej już po 4 - 6 dniach podawania do kukurydzy, pszenicy i młodych świerków.

Długotrwałe działanie wodorowęglanu magnezowego potwierdza fakt, że młode świerki odzyskują i utrzymują normalną aktywność nawet po 5 miesiącach zabiegów. Nawet dla roślin drzewnych niezbędny jest o wiele dłuższy okres, wynoszący prawdopodobnie od 2 do 3 lat, dla uzyskania całkowitego wyleczenia.

Wyczerpujące badania agronomicze prowadzone na polach pszenicy ozimej, ziemniaków, pastewnej kukurydzy i buraków cukrowych wykazały zatem, że nowy środek według wynalazku jest produktem, który optymalnie przygotowany i dobrze fitotechnicznie podany zapewnia dobre wyniki agronomiczne.

164 820

q<3

FIG .8

164 820

FIG. 6

Czas (dni )

FIG. 7

t (min J

164 820

FIG.4

FIG. 5

Czcs (dni )

164 820

FIG . 2 qQ -

t (min.)

164 820

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz.

Cena 10 000 zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Środek wspomagający fotosyntezę roślin chlorofilowych, znamienny tym, że zawiera wodę i poniżej 80 g/litr wodorowęglanu magnezowego o wzorze Mg(HCO3)₂.
2. Środek według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera około 20 g/litr wodorowęglanu magnezowego.