Фізіологічні основи регуляції росту та продуктивності помідора їстівного (Lycopersicon esculentum Mill.) за впливу органо-мінеральних добрив

Abstract

Дисертаційна робота присвячена дослідженню морфогенезу, особливостей процесів росту, водообміну, параметрів фотосинтезу, формування продуктивності та якісного складу плодів помідора їстівного (Lycopersicon esculentum Mill.) за впливу органо-мінеральних добрив «Smart» композит Марцінишин® та рекультиванту композиційного Trevitan®. Розробка фізіологічних основ підвищення продуктивності овочевих культур з високою якістю плодів є одним із пріорітетних завдань сучасної біології та сільськогосподарської практики. Вагомим чинником, який регулює фізіологічні процеси, а відтак впливає на продуктивність рослин є добрива. Використання мінеральних азотних добрив сприяє підвищенню урожаю, також собівартості овочів та погіршенню їх якісного складу. Альтернативою виступають органо-мінеральні добрива, застосування яких у технологіях вирощування рослин є складовою частиною органічного землеробства. В Україні та багатьох країнах світу розробляються нові види органо-мінеральних добрив, ефективність яких є вищою порівняно з традиційними. Помідор їстівний є однією з найбільш поширених за площами вирощування та значимістю у раціоні людини овочевою культурою. Тому, у дисертаційному дослідженні ми використали препарати органічного походження на основі гумінових кислот для регуляції фізіологічних процесів з метою підвищення продуктивності L. esculentum. Розроблено препарат органічного походження рекультивант композиційний Trevitan® (RKT ) для швидкої регенерації грунту з метою поліпшення його родючості, обробки насіння і посадкового матеріалу для реалізації генетичного потенціалу, прискорення росту і розвитку різноманітних сільськогосподарських культур і відповідно їх продуктивності, досліджено його ефективність у лабораторних, вегетаційних та польових умовах. RKT зареєстровано в державній санітарно-епідеміологічній службі України та в Канаді. До складу препарату входять органічні речовини, масова частка яких 55,0-75,0 %, на долю гумінових органічних речовин припадає 2,0-7,0 % на суху речовину препарату, екстракту фульвових речовин – 0,8- 3,0 %. У складі препарату міститься 0,1-0,7 % загального Нітрогену (N), 0,01- 0,5 % Фосфору (P2O5), 0,2-0,9 % Калію (K2O). Масова частка водорозчинних солей (Ca, Mg, Fe, Mn, Zn, Cu, Co) становить 0,3-1,0 %, сухого залишку – 1,0- 2,5 %. Препарат має лужне середовище, водневий показник рН розчину – 8,0- 10,9 %. Також розроблено технологію його застосування при вирощуванні помідора їстівного, згідно якої, восени перед оранкою обробляли грунт ділянок дослідного варіанту RKT для швидкої регенерації грунту (1 л препарату на 200 л води на 1 га). Перед сівбою в касети насіння досліду замочували протягом 5-10 хв 1 % розчином RKT для обробки насіння та посадкового матеріалу. Після висаджування розсади у відкритий ґрунт через 5 днів проводили шестикратне позакореневе підживлення дослідних рослин RKT для прискорення росту і розвитку рослин з інтервалом 7-14 днів (0,5 л препарату на 200 л води на 1 га) за допомогою ранцевого оприскувача ОП-2. Насіння і рослини контрольного варіанту, аналогічно дослідним, обробляли водопровідною водою. Технологію з використанням органо-мінерального добрива «Smart» композит Марцінишин® (ОМД SKM) для польових культур адаптували при вирощуванні помідора. Технологія передбачала обробку кореневої системи розсади дослідного варіанту перед висаджуванням у відкритий грунт та 6-ти разове позакореневе підживлення рослин у фазах 3-4, 5-7 листків, формування кущів – початок бутонізації, початок цвітіння та змикання ягід за допомогою ранцевого оприскувача ОП-2. Позакореневе підживлення помідора їстівного F1 Талент ОМД SКM на основі гумінових речовин впродовж онтогенезу поліпшувало мінеральне живлення культури, суттєво впливало на морфогенез, інтенсифікувало ростові процеси рослин та формування донорної сфери. Протягом досліджуваного періоду статистично достовірно збільшувалася висота рослин у середньому на 13-25 % порівняно з контролем, кількість пагонів першого порядку у кущі (на 13 %), діаметр стебла біля кореневої шийки (на 20 %) та облиствлення рослин (на 30 %). Зростання параметрів габітусу рослин помідора їстівного відповідно вплинуло на його продуктивність. Ростові процеси тісно пов’язані з водним режимом рослин. Встановлено, що до кінця вегетаційного періоду рівень вмісту загальної вологи в листках помідора F1 Талент знижувався. За впливу позакореневого підживлення ОМД SКM, у порівнянні з контролем, зросли показники загального вмісту води у листках, інтенсивності їх транспірації у фазах бутонізації на 31,2, цвітіння – 29,4 та бурої стиглості плодів – 40,1 %, водоутримуючої здатності листків у фазах бутонізації (через 2, 4 та 6 год.) та бурої стиглості плодів (через 6 та 24 год.) і знизилися – водного дефіциту листків на 16,7 і 19,1% у зазначених вище фазах. Застосування ОМД SKM поліпшувало структуру урожаю помідора їстівного F1 Талент, зокрема, підвищувало масу одного плоду в середньому на 11,0 %, масу та кількість плодів з одного куща, відповідно, на 29,9 і 22,1 % та продуктивність культури загалом. У середньому за три роки дослідні рослини у грунтово-кліматичних умовах Західного Лісостепу України сформували урожай плодів на рівні 78,0± 1,09 т/га, що на 14,94 т/га (22,1 %) вище порівняно з контролем. Вищий урожай рослин дослідного варіанту сформувався за рахунок більшої кількості плодів на рослині та вищої їх маси. Аналіз біохімічного складу плодів помідора F1 Талент за впливу технології з використанням ОМД SKM показав тенденцію до зростання вмісту масової частки сухих (на 9,1 %) та сухих розчинних (10,7 %) речовин, статистично достовірне збільшення (на 6,5 %) кількості аскорбінової кислоти, масової частки каротиноїдів (28,6 %), флавоноїдів (8,3 %), моно- і дисахаридів (13,8 %) та зниження (на 6,2 %) кислотності. Результати польових досліджень з використанням ОМД SKM в технології вирощування L. esculentum F1 Талент показали підвищення вмісту у плодах на 68,5 % Нітрогену, 12,6 % Кальцію, 28,3 % Калію, 85,2 % Фосфору, 25,8 % Цинку та 56,2 % Мангану, зниження на 10,3 % Феруму. За кількістю Купруму та Бору плоди контрольного та дослідного варіантів істотно не відрізнялися. Концентраційні ряди макро- та мікроелементів, розташованих у порядку зменшення їхніх концентрацій у тканинах плодів помідора контрольного та дослідного варіантів мають такий вигляд: K>N>Ca>Mg>P>Fe>Cu>В>Zn>Mn та K>N>P>Ca>Mg>Fe>Cu>Zn>В>Mn. Вміст мікроелементів не перевищує гранично допустимих концентрацій, та вони не проявляють властивостей важких металів, оскільки знаходяться у межах норми. За величиною розрахованого коефіцієнта біологічного поглинання (КБП) рослини помідора належать до концентраторів Нітрогену, Фосфору, Калію та Купруму, деконцентраторів – Феруму, Цинку та Мангану. Встановлено, що обробка насіння RKT для обробки насіння та посадкового матеріалу надраннього сорту Яна, середньостиглого – Космонавт Волков, середньораннього – Шапка Мономаха, середньопізнього – Де Борао червоний підвищувала енергію його проростання на 5,0 – 39,1 % та схожість на 5,0 – 23,1 %. Найефективніший вплив RKT за зазначеними вище показниками виявлено у сортів Космонавт Волков та Де Борао червоний. За впливу RKT інтенсифікувалися ростові процеси кореневої системи (на 8,4 – 20,6 %) та пагона (на 12,8 – 28,8 %) проростків різних за тривалістю вегетаційного періоду сортів помідора їстівного. Ефективність RKT за параметрами росту та фотосинтезу досліджували у вегетаційних умовах. Обробка насіння перед сівбою та двохразове позакореневе підживлення рослин L. esculentum сорту Волове серце RKT впливали на морфогенез вегетативних органів і стимулювали їх ростові процеси. Висота стебла рослин сорту Волове серце за впливу RKT зросла на 20,4 – 42,6 %, кількість листків – 10,8 – 42,6 %, маса сирої речовини надземних органів – 30,7 %, маса сирої речовини листків – 42,8 %. Аналогічні результати отримано і в польових умовах. Обробка розсади перед висаджуванням у відкритий грунт та шестикратне підживлення RKT для прискорення росту і розвитку сільськогосподарських культур помідора їствного F1 Талент інтенсифікували ріст стебла у висоту (на 15,0 – 21,2 %), сприяли потовщенню його біля кореневої шийки на 16,0 –20,9 %, формуванню пагонів у кущі та наростанню листків. Їх кількість на дослідних рослинах була на 21,2 – 28,9 % більшою порівняно з контролем. Методом індукції флуорисценції хлорофілу виокремлено групу параметрів флуоресценції хлорофілу а, які виявились чутливими до позакореневого підживлення рослин RKT. Встановлено, що у вегетаційних умовах за впливу RKT у листках рослин помідора їстівного сорту Волове серце знижується теплова дисипація надлишкової світлової енергії у реакційних центрах фотосистеми II на 58 добу вегетації та статистично достовірно зростає відносний вміст хлорофілу (SPAD) на 37 і 58 доби вегетації. Зазначені вище параметри флуоресценції хлорофілу а можуть обумовлювати відмінності у формуванні врожаю культурою. Застосування RKT для обробки грунту перед оранкою, насіння перед сівбою та позакореневого підживлення протягом вегетації істотно вплинуло на продуктивність культури та структурні елементи урожаю, оскільки поліпшилось як кореневе, так і позакореневе їх живлення. Рослини помідора їстівного F1 Талент за впливу RKT у грунтово-кліматичних умовах Тернопільської області (Західний Лісостеп України) сформували врожай плодів 86,98±1,69 (2021 р.) та 88,32±1,71 (2022 р.) т/га, що на 28,5 % та 29,4 % більше порівняно з контролем відповідно. У кущі за використання препарату виявлено більше пагонів, що вплинуло на показники кількості суцвіть і плодів. Їх на рослині помідора дослідного варіанту сформувалося на 29,9 і 36,1 % (2021 р.) та 29,1 і 37,1 % (2022 р.) більше порівняно до контролю. За використання RKT поліпшились морфометричні показники плодів, зокрема, зросла їх довжина на 22,1 – та 25,0 %, маса ягоди – на 10,4 – 19,3 % та маса плодів з одного куща на 45,0 – 46,9 %. Оцінка біохімічного складу плодів помідора їстівного F1 Талент за впливу RKT показала їх вищу харчову цінність у результаті більшого накопичення аскорбінової кислоти, каротиноїдів, флавоноїдів, дисахаридів та загального вмісту цукрів, зниження кислотності. У плодах дослідного варіанту збільшувавалась кількість Нітрогену (на 21,0 %), Калію (31,6 %) і Магнію (43,3 %), Мангану (33,3 %), Купруму (29,9 %) та Цинку (24,7 %), знижувалася кількість Кальцію (на 53,9 %), не змінювалася – Бору та Феруму порівняно з контролем. Вміст Нітрогену у плодах як контрольного так і дослідного варіантів не перевищував допустимий рівень. Результати польових досліджень показують, що використання ОМД SКM та RKT в технологіях вирощування помідора їстівного F1 Талент корегує живлення культури, не зважаючи на вміст мінеральних елементів у ґрунті, регулює інтенсивність фізіологічних процесів, сприяє формуванню вищого врожаю плодів і поліпшує їх елементний та біохімічний склад. Ефективність RKT порівняно з ОМД SКM в умовах Західного Лісостепу України за показниками урожаю плодів є вищою.

The dissertation deals with the study of morphogenesis, peculiarities of growth, water exchange processes, photosynthesis parameters, formation of productivity and qualitative composition of fruits of edible tomato (Lycopersicon esculentum Mill.) under the influence of organo-mineral fertilizers "Smart" composite Martsynishin® and composite recultivant Trevitan®. Developing of physiological basis for improving the productivity of highquality crops is one of high-priority problems of modern biology and agriculture. The essential factor that regulates physiological processes and this influences the productivity of plants are fertilizers. The use of mineral nitrogen fertilizers helps to increase the yield, however, the cost price of vegetables grows as well and their qualitative composition deteriorates. An alternative is organo-mineral fertilizers, the use of which in plant growing technologies is an integral part of organic farming. In Ukraine and many countries of the world, new types of organo-mineral fertilizers are being developed, the efficiency of which is higher compared to traditional ones. Edible tomato is one of the most widespread vegetable crops in terms of cultivation area and importance in the human diet. Therefore, in the thesis, we used preparations of organic origin based on humic acids to regulate physiological processes in order to increase the productivity of L. esculentum. The preparation of organic origin recultivant composite Trevitan® (RCT) was developed for rapid regeneration of the soil aiming to improve its fertility, processing seeds and planting material in order to realize the genetic potential, accelerate the growth and develop various agricultural crops and, accordingly, their productivity. Its effectiveness was studied in laboratory, vegetative and field conditions. RСT is registered in the State Sanitary and Epidemiological Service of Ukraine and in Canada. The composition of the preparation includes organic substances, the mass fraction of which is 55.0-75.0%, the share of humic organic substances is 2.0-7.0% of the dry substance of the preparation, the extract of fulvic substances is 0.8-3.0%. The composition of the preparation contains 0.1-0.7% of total Nitrogen (N), 0.01-0.5% of Phosphorus (P2O5), 0.2-0.9% of Potassium (K2O). The mass fraction of water-soluble salts (Ca, Mg, Fe, Mn, Zn, Cu, Co) is 0.3-1.0%, the dry residue is 1.0-2.5%. The preparation has an alkaline environment, the pH of the solution is 8.0-10.9%. The technology of its use in the cultivation of edible tomatoes has also been developed, according to which, in autumn, before plowing, the soil of the areas of the RCT experimental variant was treated for rapid soil regeneration (1 liter of the preparation per 200 liters of water per 1 ha). Before sowing in the cassettes, the seeds of the experiment were soaked in 1% RCT solution for treating seeds and planting material for 5-10 minutes. After planting the seedlings in the open ground, 5 days later, foliar feeding of experimental plants with RCT was carried out six times to accelerate the growth and for development of plants. They were treated with 7-14 days’ interval (0.5 l of the preparation for 200 l of water per 1 ha) using an OP-2 knapsack sprayer. The seeds and plants of the control variant, similarly to the experimental ones, were treated with tap water. The technology of using organo-mineral fertilizer "Smart" composite Martsynishin® (OMF SCM) for field crops was adapted for tomato cultivation. The technology involved spraying the root system of seedlings of the experimental variant with the use of knapsack sprayer OP-2 before planting in open ground. Foliar feeding of plants was carried out 6 times: in the phases of 3-4, 5-7 leaves, at the stage of bushes initiation – beginning of budding, start of flowering and formation of fruit set Foliar feeding of edible tomato F1 Talent with OMF SCM based on humic substances during ontogenesis improved the mineral nutrition of the crop, significantly influenced morphogenesis, intensified plant growth processes and the formation of the donor sphere. During the studied period, under the influence of OMF SCM, statistically, the height of plants significantly increased by an average of 13-25% compared to the control, the number of first-order shoots in the bush grew by 13%, the diameter of the stem near the root neck boosted by 20%, and the foliage of plants rose by 30 %. The increase in the parameters of the habitus of edible tomato plants affected its productivity accordingly. Growth processes are closely related to the water regime of plants. It was found that by the end of the growing season, the level of total moisture content in the leaves of tomato F1 Talent decreased. Under the influence of foliar feeding with OMF SCM, compared with the control, the indicators of the total water content in the leaves, the intensity of their transpiration increased by 31.2% in the phase of budding, by 29.4% in the phase of flowering, and by 40.1% in the phase of pink fruits. There also was the increase in water-holding capacity of leaves in the phases of budding (after 2, 4, and 6 hours) and pink fruits (after 6 and 24 hours). The water deficiency of leaves decreased by 16.7 and 19.1% in the abovementioned phases. The use of OMF SCM improved the structure of the harvest of the edible tomato F1 Talent, in particular, it increased the weight of one fruit by an average of 11.0%, the weight and number of fruits from one plant grew by 29.9% and 22.1% respectively and the productivity of the crop in general rose as well. Generally, over three years, experimental plants in the soil and climatic conditions of the Western Forest Steppe of Ukraine formed a fruit yield at the level of 78.0 ± 1.09 t/ha, which is 14.94 t/ha (22.1%) higher than the control. The higher yield of plants of the experimental variant formed due to the greater number of fruits on the plant and their larger weight. The analysis of biochemical composition of tomato fruits F1 Talent under the influence of technology using OMF SCM showed a trend towards an increase in the mass fraction of dry (by 9.1%) and dry soluble (10.7%) substances, a statistically significant increase (by 6.5%) in amount of ascorbic acid, mass fraction of carotenoids (28.6%), flavonoids (8.3%), mono- and disaccharides (13.8%) and decrease (by 6.2%) of acidity. The results of field studies of using OMF SCM in the cultivation technology of L. esculentum F1 Talent showed an increase in the content of Nitrogen by 68.5%, Calcium by 12.6%, Potassium by 28.3%, Phosphorus by 85.2%, Zinc by 25.8% and Manganese by 56.2%, and a decrease of Ferrum by 10.3% in the fruits. The control and experimental variants of fruits did not significantly differ by the amount of Cuprum and Boron. The concentration series of macro- and microelements, located in the order of decreasing concentrations in the tissues of tomato fruits of the control and experimental variants, look as follows: K>N>Ca>Mg>P>Fe>Cu>B>Zn>Mn and K>N>P >Ca>Mg>Fe>Cu>Zn>B>Mn. The microelements content does not exceed the maximum allowable concentrations, and they do not exhibit the properties of heavy metals, as they are within the normal range. According to the value of the calculated biological absorption coefficient (BAC), tomato plants belong to the concentrators of Nitrogen, Phosphorus, Potassium and Copper, and deconcentrators of Ferum, Zinc and Manganese. It was established that the use of RCT for seeds and planting material treatment for the seeds of the super-early variety Yana, mid-maturing Cosmonaut Volkov, mid-early Monomakh’s crown, mid-late De Borao red increased the energy of its germination by 5.0 - 39.1% and germination rate by 5.0 - 23.1%. The most significant effect of RCT according to the above indicators was found in the Cosmonaut Volkov and De Borao red varieties. Under the influence of RCT, the growth processes intensified in the root system by 8.4 – 20.6 % and in the shoots by 12.8 – 28.8 % of seedlings of edible tomato varieties with different growing season durations. The effectiveness of RCT in terms of growth and photosynthesis parameters was studied in growing conditions. Pre-sowing seed treatment and two-time foliar feeding of L. esculentum plants of the Oxheart variety with RCT influenced the morphogenesis of vegetative organs and stimulated their growth processes. Under the influence of RCT, the height of the Oxheart variety plant stems increased by 20.4 - 42.6%, the number of leaves grew by 10.8 - 42.6%, the mass of the raw substance of aerial organs rose by 30.7%, the mass of the raw substance of leaves was 42, 8% higher. Similar results were obtained in the field conditions. Treatment of seedlings before planting in open ground and six-fold feeding with RCT to accelerate the growth and development of agricultural crops of edible tomato F1 Talent intensified the growth of height of the stem (by 15.0 - 21.2%), contributed to its thickening near the root neck by 16.0 - 20.9%, formation of shoots in the plant and growth of leaves. Their number on experimental plants was 21.2-28.9% higher compared to the control. Using the method of induction of chlorophyll fluorescence, a group of chlorophyll a fluorescence parameters was identified, which were found to be sensitive to foliar feeding plants with RCT. It was found that under the influence of RCT in the leaves of tomato plants of the edible variety Oxheart under growing conditions, the thermal dissipation of excess light energy in the reaction centers of photosystem II decreases on the 58th day of vegetation and the relative content of chlorophyll (SPAD) increased statistically significantly on the 37th and 58th days of vegetation. The above-mentioned fluorescence parameters of chlorophyll a can cause differences in crop formation by plant. The use of RСT for treatment of soil before plowing, seeds before sowing and for foliar feeding during the growing season had a significant effect on crop productivity and structural elements of the crop, as both root and foliar nutrition improved. Edible tomato plants F1 Talent under the influence of RCT in the soil and climatic conditions of Ternopil region (Western Forest Steppe of Ukraine) produced a fruit yield of 86.98±1.69 (2021) and 88.32±1.71 (2022) t/ ha, which is 28.5% and 29.4% more compared to the control, respectively. More shoots were found in the bush due to the use of preparation, which affected the indicators of the number of inflorescences and fruits. There were 29.9 and 36.1% (2021) and 29.1 and 37.1% (2022) more of them formed on the tomato plant of the experimental variant compared to the control. When RCT was used, the morphometric parameters of the fruits improved, in particular, their length increased by 22.1 and 25.0%, the weight of the fruit grew by 10.4 – 19.3%, and the weight of fruits from one plant increased by 45.0 – 46.9 %. Evaluation of biochemical composition of fruits of edible tomato F1 Talent under the influence of RCT showed their improved nutritional value as a result of higher accumulation of ascorbic acid, carotenoids, flavonoids, disaccharides and total sugar content, and a decrease in acidity. In the fruits of the experimental variant, there increased the amount of Nitrogen (by 21.0%), Potassium (31.6%), Magnesium (43.3%), Manganese (33.3%), Copper (29.9%) and Zinc (24.7%), the amount of Calcium decreased (by 53.9%), Boron and Ferrum did not change compared to the control. Nitrogen content in fruits of both control and experimental variants did not exceed the permissible level. The results of field research show that the use of OMF SCM and RCT in F1 Talent edible tomato cultivation technologies adjusts crop nutrition, regardless of the content of mineral elements in soil, regulates the intensity of physiological processes, contributes to the formation of higher fruit yield and improves their elemental and biochemical composition. The effectiveness of RCT compared to OMF SCM in the conditions of the Western Forest-Steppe of Ukraine in terms of fruit yield is higher.