WRAŻLIWOŚĆ ROŚLIN HELIANTHUS TUBEROSUS L. NA CHLOMAZON

Progress in Plant Protection / Postępy w Ochronie Roślin, 47 (4) 2007 WRAŻLIWOŚĆ ROŚLIN HELIANTHUS TUBEROSUS L. NA CHLOMAZON BARBARA SAWICKA 1, WŁADYSŁAW MICHAŁEK 2, DOMINIKA SKIBA 1 Akademia Rolnicza Akademicka 15, 20-950 Lublin 1 Katedra Szczegółowej Uprawy Roślin barbara.sawicka@ar.lublin.pl 2 Katedra Fizjologii Roślin wladyslaw.michalek@ar.lublin.pl I. WSTĘP Racjonalne stosowanie herbicydów w produkcji roślinnej jest bardzo ważne, ponieważ ich niewłaściwe użycie wywołuje stres u roślin, co z kolei prowadzi do zakłóceń w ich wzroście i rozwoju; przy czym wielkość powstałego stresu zależy od rodzaju substancji aktywnej, terminu i warunków aplikacji, nawożenia i właściwości genetycznych uprawianych roślin. Zdaniem Lichtenthaler'a (1996) herbicydy zaburzają przebieg fotosyntezy, przemian enzymatycznych, uszkadzają chlorofil, powodują nadmierną transpirację, hamują podziały komórek (kiełkowanie i wzrost). Jak podaje Banaszkiewicz (1993), substancje aktywne (s.a.) zawarte w herbicydach mogą łatwo przenikać do chloroplastów powodując uszkodzenia fotoukładu II i kompleksu zbierającego energię świetlną (LHC). Według Argenta i Lopesa (1992), herbicydy zakłócają także stosunek chlorofilu a:b oraz zmniejszają aktywność przenośników elektronów. W rezultacie dochodzi do zmian w parametrach fluorescencji chlorofilu (Argenta i Lopes 1992; Murkowski 1995; Lichtenthaler 1996; Maciorowski i wsp. 1996; Sułek i wsp. 2005; Skórska i Swarcewicz 2005). Biorąc pod uwagę powyższe przesłanki, w przeprowadzonych badaniach wykorzystano pomiary fluorescencji chlorofilu do określenia wrażliwości roślin Helianthus tuberosus, nawożonych różnymi dawkami nawozów mineralnych na s.a. chlomazon. II. MATERIAŁ I METODY Wyniki badań oparto na ścisłym doświadczeniu polowym, przeprowadzonym w środkowo-wschodniej części Polski na glebie piaszczysto-gliniastej, kompleksu żytniego dobrego w 2006 roku. Eksperyment założono metodą losowanych podbloków w 3 powtórzeniach. Czynnikiem I rzędu było zróżnicowane nawożenie mineralne (P, K,

364 Progress in Plant Protection / Postępy w Ochronie Roślin, 47 (4) 2007 PK, N 1, N 1 PK, N 2 PK, N 3 PK) oraz obiekt kontrolny bez nawożenia. Czynnikiem II rzędu były rośliny opryskiwane herbicydem i rośliny kontrolne, bez opryskiwania. Podstawowe dawki fosforu i potasu wynosiły: 52 i 125 kg/ha, zaś azotu odpowiednio: 50, 100 i 150 kg/ha. Chlomazon zastosowano w formie środka Kalif 480 EC (480 g/dm chlomazon) w dawce 0,2 dm/ha. Obiektem badawczym była polska odmiana Rubik słonecznika bulwiastego. Fitotoksyczne działanie herbicydów na rośliny uprawne określano co 7 dni, począwszy od daty wystąpienia objawów (przejaśnienia, żółknięcie lub czernienie blaszek liściowych) aż do ich ustabilizowania się lub zniknięcia. Stopień nasilenia fitotoksycznego działania preparatu oceniano według skali 9-stopniowej. Określano aktywność fotosyntetyczną liści słonecznika bulwiastego przy pomocy fluorymetru PAM-2000, firmy Walz GmbH. Dokonano pomiarów następujących parametrów: Fv/Fm maksymalna wydajność kwantowa chlorofilu, Y wskaźnik określający całkowity zysk kwantowy fotosyntezy oraz współczynniki fotochemicznego (Qp) i niefotochemicznego (Qn) wygaszania fluorescencji. Wszystkie pomiary wykonano w 3 powtórzeniach na 4 liściu właściwym od góry rośliny w 2 tygodnie po zastosowaniu herbicydu. Przed pomiarem liście były zacieniane przez około 20 minut specjalnymi klipsami firmy Walz GmbH. Oznaczono także zawartość chlorofilu a i b w świeżej masie liści metodą spektrofotometryczną opisaną przez Arnona (1967). Wyniki badań opracowano statystycznie za pomocą analizy wariancji i regresji wielomianowej. III. WYNIKI I ICH OMÓWIENIE Liście roślin H. tuberosus, potraktowane nalistnie chlomazone, okazały się bardzo wrażliwe na tę s.a. i zareagowały bieleniem blaszek liściowych. Dalszym następstwem działania tego herbicydu było zahamowanie wzrostu i zamieranie uszkodzonych liści (tab. 1). Największe uszkodzenia fitotoksyczne i zarazem najwyższy spadek zawartości chlorofilu a zaobserwowano na roślinach z obiektów nawożonych azotem, w dawce 50 kg N/ha, najmniejsze zaś na roślinach w kombinacji nawożonej tylko potasem w dawce 125 kg K/ha (tab. 2). Znacznie większe uszkodzenia, wywołane stosowaniem chlomazone, obserwowano w przypadku chlorofilu b niż chlorofilu a. Przeciętny spadek zawartości chlorofilu b wynosił około 140% w porównaniu z roślinami kontrolnymi, nieuszkodzonymi przez herbicyd. Największe niekorzystne zmiany, pod wpływem chlomazone, stwierdzono w obiekcie z nawożeniem potasowym, zaś ten niekorzystny proces najbardziej ograniczało nawożenie najniższą dawką azotu, w nieco mniejszym stopniu nawożenie fosforem. Zmiany fitocydalne ustąpiły praktycznie po 6 tygodniach, ale wywołały nieodwracalne uszkodzenia aparatu asymilacyjnego roślin. S.a. chlomazon hamuje, bowiem biosyntezę pigmentów (Weimer i wsp. 1991; Argenta i Lopes 1992; Sułek i wsp. 2005). We wcześniejszych badaniach (Sawicka 2000, 2004) stwierdzono również znaczne uszkodzenia fitotoksyczne części nadziemnych roślin słonecznika bulwiastego wywołane stosowaniem herbicydu Command 480 EC, posiadającego tę samą s.a. Chlomazon poprzez przejściowe zahamowanie wzrostu roślin wpłynął w konsekwencji ujemnie na plon masy nadziemnej i bulw, zawartość w nich suchej masy, białka ogółem, białka właściwego i witaminy C.

Wrażliwość roślin Helianthus tuberosus na chlomazon 365 Tabela 1. Stopień uszkodzenia H. tuberosus w skali 9 * Table 1. Degree of damage of H. tuberosus in the 9 scale Nawożenie Fertilization P K PK N 1 N 1 PK N 2 PK N 3 PK 0 Liczba dni po opryskiwaniu Number of days after spraying 7 14 21 28 35 42 8,1 6,5 6,9 9,0 8,4 8,1 8,0 8,3 5,8 4,8 5,1 7,0 6,4 6,1 6,0 5,9 NIR (0,05) LSD (0.05) 1,6 1,2 0,8 0,5 0,4 0,2 * 1 brak uszkodzeń lack of damages; 9 całkowite zniszczenie roślin total destruction of plants 3,5 3,0 3,2 5,0 4,4 4,1 4,0 3,4 2,9 2,0 2,6 3,1 3,0 2,7 2,6 2,4 2,0 1,5 1,8 2,4 2,0 1,9 1,8 1,7 1,6 1,1 Tabela 2. Zawartość chlorofilu a i b w liściach H. tuberosus [mg/g św.m.] Table 2. Content of chlorophyll a and the b in leaves of H. tuberosus [mg/g f.m.] Nawożenie Fertilization P K PK N 1 N 1 PK N 2 PK N 3 PK 0 Chlorofil a Chlorophyll a A* B** 0,636 0,596 0,663 0,523 0,536 0,644 0,561 0,510 0,423 0,303 0,353 0,413 0,311 0,357 0,297 0,288 0,530 0,450 0,508 0,468 0,425 0,501 0,429 0,399 Chlorofil b Chlorophyll b A 0,289 0,271 0,304 0,227 0,236 0,295 0,271 0,215 B 0,179 0,159 0,176 0,148 0,153 0,190 0,206 0,134 0,234 0,215 0,240 0,188 0,195 0,243 0,239 0,175 NIR (0,05) LSD (0.05) 0,046 0,023 0,022 0,011 0,584 0,343 0,464 0,264 0,168 0,216 NIR (0,05) LSD (0.05) 0,006 0,003 * liście kontrolne, bez herbicydu supervisory leaves, without herbicide ** liście opryskiwane herbicydem herbicide sprayed leaves Zastosowana dawka chlomazonu wywarła również istotny wpływ na stosunek chlorofilu a:b w liściach słonecznika bulwiastego (rys. 1). Najwyższą wartością tego stosunku charakteryzowały się rośliny kontrolne, nieopryskiwane chlomazonem i nawożone fosforem, najmniejszą natomiast liście roślin opryskiwanych chlomazonem w obiekcie, bez nawożenia, zaś najniższy stosunek chlorofilu a:b zaobserwowano w obiektach z najniższą dawką azotu (rys. 2). Wartości stosunku chlorofilu a:b, w zależności od nawożenia, w obiektach opryskiwanych chlomazonem, układały się według regresji wielomianowej 5. stopnia, zaś w obiekcie kontrolnym według regresji wielomianowej 4. stopnia (rys. 1). Współczynniki determinacji tych równań wynosiły odpowiednio: 96,56% i 78,92%, co oznacza wysoką ich wiarygodność.

366 Progress in Plant Protection / Postępy w Ochronie Roślin, 47 (4) 2007 Rys. 1. Stosunek chlorofilu a:b w liściach H. tuberosus Fig. 1. Proportion of chlorophyll a:b H. tuberosus leaves Rys. 2. Różnica w zawartości chlorofilu a i b między zdrowymi i uszkodzonymi liśćmi H. tuberosus Fig. 2. Difference in the content of chlorophyll a and b between healthy and damaged leaves the H. tuberosus Egzogenna zawartość chlomazonu w liściach H. tuberosus spowodowała zaburzenia w metabolizmie wyrażające się nie tylko zmianami morfologicznymi, ale również fizjologicznymi (tab. 3, 4). Funkcjonowanie fotosystemu PS II jest najbardziej czułym wskaźnikiem działania różnorodnych czynników stresowych na rośliny. Zaobserwowano istotnie ujemny wpływ chlomazone na efektywność aparatu fotosyntetycznego roślin. Istotne zmniejszenie wartości parametrów indukcji fluorescencji chlorofilu stwierdzono prawie we wszystkich obiektach doświadczalnych, z wyjątkiem kombinacji z nawożeniem fosforowo-potasowym i potrójną dawką azotu (N 3 PK), gdzie zaobserwowano neutralizację niekorzystnych oddziaływań herbicydu, co można przypisać zastosowaniu zwiększonej dawki azotu (150 kg N/ha). Zmniejszenie wartości parametrów indukcji fluorescencji chlorofilu, w warunkach stosowania herbicydu, świadczy

Wrażliwość roślin Helianthus tuberosus na chlomazon 367 o obniżeniu sprawności reakcji pierwotnych fotosyntezy w fotosystemie II. Uzyskane wyniki wskazują na istotny, ujemny wpływ chlomazone na efektywność aparatu foto- Tabela 3. Parametry fluorescencji chlorofilu w liściach H. tuberosus Table 3. Parameters of fluorescence of chlorophyll in leaves of H. tuberosus Nawożenie Fv/Fm Fertilization A* B** P K PK N 1 N 1 PK N 2 PK N 3 PK 0 0,684 0,600 0,794 0,659 0,705 0,637 0,625 0,594 0,270 0,393 0,315 0,432 0,257 0,308 0,261 0,307 0,477 0,497 0,555 0,546 0,481 0,473 0,443 0,451 A 0,467 0,341 0,562 0,568 0,459 0,504 0,301 0,496 B Y 0,307 0,292 0,282 0,441 0,212 0,273 0,304 0,304 0,387 0,317 0,422 0,505 0,336 0,389 0,303 0,400 NIR (0,05) LSD (0.05) 0,049 0,025 0,038 0,019 0,662 0,318 0,490 0,462 0,302 0,382 NIR (0,05) LSD (0.05) 0,006 0,05 * liście kontrolne, bez herbicydu supervisory leaves, without herbicide ** liście opryskiwane herbicydem herbicide sprayed leaves F V /F m maksymalna sprawność fotosystemu PS II w ciemności maximal efficiency of PS II photochemistry in the darkness, Y maksymalna wydajność fotosyntezy maximal photosynthesis productivity Tabela 4. Wartości fizjologicznych wskaźników fluorescencji chlorofilu w liściach H. tuberosus Table 4. Values of physiological parameters of fluorescence of chlorophyll in leaves of H. tuberosus Nawożenie Qp Fertilization A* B** P K PK N 1 N 1 PK N 2 PK N 3 PK 0 0,583 0,350 0,702 0,600 0,506 0,581 0,303 0,549 0,339 0,309 0,311 0,242 0,267 0,304 0,336 0,335 0,461 0,330 0,507 0,421 0,387 0,443 0,320 0,442 A 0,202 0,105 0,221 0,236 0,201 0,203 0,086 0,224 Qn B 0,096 0,093 0,111 0,086 0,078 0,096 0,081 0,072 0,149 0,099 0,166 0,161 0,140 0,150 0,084 0,148 NIR (0,05) LSD (0,05) 0,041 0,021 0,014 0,007 0,522 0,305 0,414 0,185 0,089 0,137 NIR (0,05) LSD (0.05) 0,005 0,002 * liście kontrolne, bez herbicydu supervisory leaves, without herbicide ** liście opryskiwane herbicydem herbicide sprayed leaves Qp współczynnik fotochemicznego wygaszania fluorescencji the photochemical quenching coefficient (Qp) Qn współczynnik niefotochemicznego wygaszania fluorescencji the non-photochemical quenching coefficient (Qn)

368 Progress in Plant Protection / Postępy w Ochronie Roślin, 47 (4) 2007 syntetycznego badanych roślin. Zdecydowanie największe spadki indukcji FC w liściach wystąpiły w obiektach nawożonych nawozami fosforowo-potasowymi i najniższą dawką azotu. Zmniejszenie, w tych warunkach, wartości parametrów indukcji fluorescencji chlorofilu świadczy o obniżeniu sprawności reakcji pierwotnych fotosyntezy w fotosystemie II. W wyniku stosowania chlomazonu najbardziej zmniejszyła się maksymalna fotochemiczna wydajność fotosystemu II (F v /F m ), przy czym tendencja spadkowa wartości F v /F m nasilała się wraz ze wzrostem nawożenia do poziomu N 50 P 52 K 125. Zwiększenie dawki azotu, na tle stałego nawożenia fosforowo-potasowego, neutralizowało to niekorzystne oddziaływanie herbicydu. Zmianom uległa również rzeczywista wydajność fotochemiczna fotosystemu II związana z efektywnością transportu elektronów (Y). Maksymalna wartość wydajności fotosyntezy, w obiekcie kontrolnym, bez herbicydów wynosiła przeciętnie 0,462 (tab. 3). Zastosowanie chlomazonu obniżało wartość tego wskaźnika o 57,8%, a zależnie od nawożenia o 17 do 117%. Jedynie wniesienie potrójnej dawki azotu, na tle nawożenia fosforowo-potasowego nie wpłynęło istotnie na wydajność fotosyntezy. Świadczy to o tym, że w przypadku nawożenia mineralnego, w takiej proporcji składników N:P:K, transport elektronów w PS II był naruszony w dużo mniejszym stopniu, w porównaniu z nawożeniem tylko pojedynczą dawką azotu, czy też pojedynczą dawką azotu w połączeniu z nawożeniem fosforowo-potasowym. Analizując wartości współczynnika fotochemicznego (Qp) i niefotochemicznego (Qn) wygaszania fluorescencji chlorofilu zaobserwowano, że zmiany ich wartości zależały wyraźnie od zastosowania herbicydu oraz wniesionego nawożenia mineralnego (tab. 4). Przeciętnie najwyższą wartość Qp, niezależnie od stosowania herbicydu, zanotowano w obiektach nawożonych tylko nawozami fosforowo-potasowymi, najniższą zaś w obiektach z nawożeniem fosforowo-potasowym i najwyższą dawką azotu. Zastosowanie chlomazone obniżyło wartość współczynnika fotochemicznego wygaszania fluorescencji przeciętnie o 74%, a zależnie od nawożenia o 13 148%. Jedynie w przypadku nawożenia fosforowo-potasowego połączonego z zastosowaniem potrójnej dawki azotu, obserwowano nieistotny wzrost wartości tego współczynnika. Najwyższą wartość niefotochemicznego wygaszania fluorescencji stwierdzono w obiektach nawożonych nawozami fosforowo-potasowymi, najniższą zaś, podobnie jak w przypadku współczynnika Qp w kombinacjach z nawożeniem fosforowo-potasowym i najwyższą dawką azotu. Użycie chlomazonu obniżyło tę wartość przeciętnie o około 110%, a zależnie od nawożenia o 6 do 211%. Największe ograniczenie tego niekorzystnego wpływu chlomazonu obserwowano w obiektach nawożonych nawozami fosforowo-potasowymi połączonych z zastosowaniem potrójnej dawki azotu. W warunkach prowadzonych badań to właśnie ten obiekt charakteryzował się najkorzystniejszym stosunkiem liczby fotonów zaabsorbowanych przez PS II do liczby fotonów zużytych przez otwarte centra w reakcjach fotosyntezy. Najwyższe wartości wskaźnika Qn uzyskano w obiektach nawożonych tylko najniższą dawką azotu, co sprawiało, że rośliny okazały się najmniej odporne na herbicyd. Wzrost wartości wskaźnika wygaszania niefotochemicznego wskazuje, że w tych warunkach, u roślin H. tuberosus występowały największe zakłócenia w cyklu Calvina, które najprawdopodobniej związane są ze zmniejszonym zużyciem ATP w fazie ciemnej fotosyntezy, w wyniku stosowania chlomazone. Substancja ta jest pobierana przez korzenie i pędy roślin, a następnie przemieszczana do liści.

Wrażliwość roślin Helianthus tuberosus na chlomazon 369 Wyniki uzyskane z pomiarów indukcji fluorescencji chlorofilu pozwalają ocenić przebieg i wydajność reakcji fotochemicznych fazy świetlnej fotosyntezy prowadzących do wytworzenia tzw. siły asymilacyjnej i ich powiązania z reakcjami enzymatycznymi fazy ciemnej fotosyntezy, co z kolei umożliwia określenie stanu fizjologicznego roślin rosnących w niekorzystnych warunkach środowiskowych. Lichenthaler (1996) sugeruje, że chlomazone po wniknięciu do młodych zarodków przez korzenie i łodygi, zatrzymuje syntezę chlorofilu oraz powstawanie karotenoidów. Jakubiak i Stachecki (2004) twierdzą, że należy liczyć się z możliwością następczego działania chlomazone i uszkodzeń prowadzących do obniżenia plonu roślin. Jasiewicz i wsp. (1999) sugerują ponadto, iż warunki stresowe (np. długotrwała susza lub nadmiar opadów) mogą powodować dezorganizację membran chloroplastów, co bezpośrednio wpływa na obniżenie wydajności fotosystemu PS II, który jest najbardziej czułym wskaźnikiem działania na rośliny różnorodnych czynników stresowych. IV. WNIOSKI 1. Wyniki pomiarów fluorescencji chlorofilu wskazują, iż można je uznać za wskaźniki służące do oceny wrażliwości roślin H. tuberosus na chlomazon. 2. Najkorzystniejszą wartość fotosystemu PS II w ciemności i na świetle, wyższą aktualną ilość elektronów w PS II w warunkach przystosowania do światła oraz wyższe współczynniki fotochemicznego i niefotochemicznego wygaszania fluorescencji chlorofilu stwierdzono w przypadku nawożenia fosforowo-potasowego. 3. Największe ograniczenie niekorzystnego wpływu chlomazonu obserwowano w obiektach nawożonych nawozami fosforowo-potasowymi i azotem w ilości 150 kg N/ha. V. LITERATURA Argenta L.C., Lopes N.F. 1992. Pigments accumulation, photosynthetic, respiratory and growth rates in soybean, rice and water-grass as effected by chlomazone doses. R. Bras. Fisiol. Veg. 4 (2): 81 86. Arnon D. 1967. Photosynthetic activity of isolte chloroplasts. Physiol. Rev. 47: 317 358. Banaszkiewicz T. 1993. Zachowanie się herbicydów w roślinach. Fragm. Agron. 2: 1 36. Jakubiak S., Stachecki S. 2004. Następcze działanie chlomazonu i metazachloru stosowanych razem i osobno na rośliny uprawiane wiosną po zlikwidowaniu plantacji rzepaku ozimego. Rośliny Oleiste Oilseed Crops 25: 167 176. Jasiewicz C., Rapacz M., Antonkiewicz J. 1999. Wpływ metali ciężkich na uszkodzenia błon komórkowych i aparatu fotosyntetycznego oraz plon topinamburu (Helianthus tuberosus L.). Zesz. Probl. Post. Nauk Rol. 469: 403 410. Lichenthaler H.K. 1996. Vegetation stress an introduction to the stress concept in plants. J. Plant Physiol. 148: 4 11. Maciorowski R., Piech M., Stankowski S., Murkowski A. 1996. Fluorescencja chlorofilu jako szybki test badania reakcji pszenżyta ozimego na herbicydy mocznikowe. Fragm. Agron. 1 (49): 61 69. Murkowski A. 1995. Biofizyczne metody badania fotosyntezy roślin rzepaku odpornych na herbicydy triazynowe. Rośliny Oleiste Oilseed Crops 16: 127 133.

370 Progress in Plant Protection / Postępy w Ochronie Roślin, 47 (4) 2007 Sawicka B. 2000. Stres roślin Helianthus tuberosus L. wywołany stosowaniem herbicydów triazynowych i mocznikowych. Zesz. Nauk. PAN Oddz. Lublin 1: 100 101. Sawicka B. 2004. Jakość bulw Helianthus tuberosus L. w warunkach stosowania herbicydów. Ann. UMCS, E 59 (3): 1245 1257. Skórska E., Swarcewicz M. 2005. Zastosowanie fluorescencji chlorofilu do oceny skuteczności działania wybranych adiuwantów w mieszaninie z atrazyną. Inż. Roln. 64: 253 259. Sułek A., Szeleźniak E., Nieróbca P., Kocoń A. 2005. Przydatność zjawiska fluorescencji chlorofilu w ocenie wrażliwości odmian pszenicy ozimej na wybrane herbicydy. Prog. Plant Protection/Post. Ochr. Roślin 45: 1123 1126. Weimer M.R., Buhler D.D., Balke N.E. 1991. Clomazone selectivity: absence of differential uptake, translocation, or detoxication. Weed Sci. 39: 529 534. BARBARA SAWICKA, WŁADYSŁAW MICHAŁEK, DOMINIKA SKIBA SUSCEPTIBILITY OF PLANTS OF HELIANTHUS TUBEROSUS L. ON CHLOMAZON SUMMARY The analysis of the results was based on results of exact field experience conducted in 2006 in Parczew on light soil, rye good complex. The experiment performed as with split-block method in 3 repetitions. The research was conducted on seven levels of mineral fertilization (P, K, PK, N 1, N 1 PK, N 2 PK, N 3 PK) and control object, without fertilization, in two variants: with use of herbicide and without herbicide (control object). Cultivar Rubik was investigated. The herbicide damage of the leaves, content of chlorophyll a and b in them and photosynthetic activity of plants (by measuring induction of chlorophyll fluorescence of the leaves) were estimated. The largest limitation of unfavourable influence of chlomazon was observed in fertilized objects with the phosphorus-potassium fertilizers and nitrogen, in quantity 150 N/ha. The results of measurements of chlorophyll fluorescence turn out to be coefficients of sensibility Helianthus tuberosus plants to chlomazon. Key words: Helianthus tuberosus, fertilization, herbicides, damage of leaves, chlorophyll fluorescence