Pobudzanie nasion (seed priming) – mechanizmy, metody, zastosowania i znaczenie w nowoczesnym rolnictwie.

Autor: Chrystian Chomontowski

Instytut Biologii, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, ul. Nowoursynowska 166, 02‒787 Warszawa
e-mail: chrystian_chomontowski@sggw.edu.pl

Streszczenie

Pobudzanie nasion (ang. seed priming) to innowacyjna i coraz szerzej stosowana technika kondycjonowania, polegająca na kontrolowanym uwodnieniu nasion w celu aktywacji procesów metabolicznych przed kiełkowaniem. Celem niniejszego przeglądu jest kompleksowe omówienie istoty procesu pobudzania, jego metod, wpływu na wzrost i rozwój roślin, zastosowań w praktyce rolniczej oraz aspektów ekonomicznych.

1. Wprowadzenie

Współczesne rolnictwo stoi przed licznymi wyzwaniami związanymi z degradacją gleb, zmianami klimatycznymi oraz koniecznością ograniczenia chemizacji upraw. Jednym z kluczowych czynników determinujących sukces upraw jest jakość materiału siewnego. Priming nasion, jako technika fizjologicznego kondycjonowania, stanowi narzędzie pozwalające na poprawę jakości nasion, przyspieszenie kiełkowania oraz zwiększenie odporności młodych siewek na niekorzystne warunki środowiska [Dutta 2018; Waqas i in. 2019].

2. Definicja i klasyfikacja metod pobudzania

Pobudzanie to proces wstępnego, kontrolowanego uwodnienia nasion, który aktywuje fizjologiczne i biochemiczne procesy w fazie przedkiełkowej, bez doprowadzenia do przebicia łupiny nasiennej przez korzonek zarodkowy (ang. radicle protrusion). Celem jest osiągnięcie stanu gotowości do szybkiego i jednolitego kiełkowania po siewie. Wyróżnia się różne techniki primingu, zależnie od użytego czynnika. Hydropriming polega na moczeniu nasion w wodzie przez określony czas, przy zachowaniu kontroli temperatury i napowietrzenia [Dutta 2018]. Osmopriming stosuje roztwory osmotyczne, takie jak PEG czy KNO₃, które umożliwiają stopniowe uwodnienie i aktywację metabolizmu [Ashraf i in. 2018]. Halopriming wykorzystuje roztwory soli mineralnych, jak NaCl czy CaCl₂, co może dodatkowo poprawiać odporność roślin na zasolenie [Banerjee i Roychoudhury 2018]. Termopriming, z kolei, opiera się na ekspozycji nasion na zmienne lub stałe temperatury w stanie suchym lub lekko uwodnionym, co poprawia tolerancję na stres cieplny [Sisodia i in. 2018]. Biopriming to nowatorskie podejście łączące priming z inokulacją pożytecznymi mikroorganizmami, np. grzybami z rodzaju Trichoderma lub bakteriami PGPR, co wzmacnia odporność roślin na patogeny [Priya i in. 2018]. Najnowszą techniką jest nanopriming, w którym wykorzystuje się nanocząstki metali (np. Ag, ZnO, Fe₃O₄), działające jako stymulatory metaboliczne oraz czynniki indukujące odporność [Waqas i in. 2019].

3. Mechanizmy działania primingu

Proces primingu uruchamia szereg mechanizmów fizjologicznych i molekularnych. Dochodzi do inicjacji biosyntezy RNA i białek niezbędnych do kiełkowania, odbudowy błon komórkowych oraz naprawy uszkodzeń oksydacyjnych. Uaktywniane są enzymy takie jak α-amylaza, proteazy czy dehydrogenazy, odpowiedzialne za mobilizację materiałów zapasowych [Bose i in. 2018]. Priming poprawia również integralność błon komórkowych, co zmniejsza wycieki elektrolitów i poprawia homeostazę komórkową. Zwiększona aktywność enzymów antyoksydacyjnych (SOD, CAT, POD) pomaga w neutralizacji wolnych rodników powstających podczas kiełkowania, szczególnie po okresie przechowywania nasion [Powell 2022]. Procesowi temu towarzyszą zmiany hormonalne – obserwuje się spadek poziomu kwasu abscysynowego (ABA) i wzrost stężenia giberelin (GA) oraz auksyn (IAA), co przyspiesza przejście z fazy spoczynku do fazy aktywnego wzrostu [Ashraf i in. 2018].

4. Wpływ na cechy nasion i roślin

Pobudzanie nasion znacząco wpływa na tempo kiełkowania. Priming skraca czas potrzebny do pojawienia się kiełków, co skutkuje szybszym i bardziej równomiernym wschodem roślin na polu. W badaniach wykazano, że siewki z pobudzanych nasion mają większą suchą i świeżą masę, lepiej rozwinięty system korzeniowy oraz wyższą tolerancję na stres środowiskowy, w tym suszę, zasolenie i niską temperaturę [Chomontowski i Podlaski 2020]. W przypadku starszych lub uszkodzonych nasion, priming może pełnić funkcję regeneracyjną, przywracając ich zdolność kiełkowania poprzez naprawę struktur komórkowych i aktywację enzymów naprawczych [Powell 2022].

5. Zastosowania w praktyce rolniczej

Technika primingu znajduje zastosowanie w wielu działach produkcji roślinnej. W rolnictwie konwencjonalnym stosuje się ją m.in. w produkcji buraka cukrowego, kukurydzy, pszenicy czy roślin strączkowych, gdzie poprawa wschodów przekłada się na wyrównanie łanu i wzrost plonów [Podlaski i in. 2010]. W ogrodnictwie, priming wykorzystywany jest do poprawy kiełkowania nasion pomidora, papryki, sałaty i innych gatunków warzywnych, zwłaszcza w warunkach stresowych. W leśnictwie stosuje się go przy rozmnażaniu drzew o długim okresie spoczynku nasion, np. dębu, sosny czy buka. W rolnictwie ekologicznym, biopriming staje się alternatywą dla chemicznych zapraw nasiennych, oferując ochronę biologiczną przed patogenami i stymulację wzrostu [Mukherjee 2018]. Co więcej, techniki primingu wykorzystywane są także w programach ochrony bioróżnorodności, np. przy reintrodukcji roślin rzadkich i zagrożonych.

6. Wpływ na plonowanie i jakość plonu

Wieloletnie doświadczenia polowe wykazały pozytywny wpływ primingu na produktywność roślin. W badaniach nad burakiem cukrowym przeprowadzonych w Polsce i Wielkiej Brytanii, uzyskano wzrost plonu korzeni o 3,8–4,0% oraz zwiększenie plonu cukru technologicznego o 3,4–5,0% w porównaniu do nasion niepobudzanych [Podlaski i in. 2010; Chomontowski i in. 2020]. Efekty te przypisuje się szybszym wschodom, lepszemu pokryciu przez liście i efektywniejszemu wykorzystaniu światła. Priming wpływa także na zwiększenie jednorodności populacji roślin, co redukuje konkurencję wewnątrzgatunkową i poprawia jakość plonu. Szczególnie istotne jest to w warunkach stresu abiotycznego – pobudzane nasiona wykazują większą odporność na suszę, zasolenie czy stres termiczny.

7. Ekonomiczne przesłanki stosowania primingu

Z ekonomicznego punktu widzenia, priming przyczynia się do zwiększenia opłacalności produkcji roślinnej. Dzięki przyspieszeniu wschodów i poprawie ich jednolitości, możliwe jest efektywniejsze wykorzystanie sezonu wegetacyjnego oraz redukcja kosztów ponownego siewu w przypadku nieudanych wschodów. W badaniach wykazano, że priming pozwala zmniejszyć zapotrzebowanie na środki ochrony roślin poprzez poprawę odporności siewek, szczególnie przy zastosowaniu bioprimingu [Priya i in. 2018]. Oszczędności mogą również wynikać z lepszego wykorzystania nawozów mineralnych – system korzeniowy roślin z nasion pobudzanych jest bardziej rozwinięty i skuteczniej pobiera składniki pokarmowe. W kontekście globalnych zmian klimatu i presji na zrównoważone rolnictwo, techniki primingu wpisują się w strategię minimalizacji ryzyka produkcyjnego przy zachowaniu wysokiej jakości i ilości plonów.

8. Nowe technologie i perspektywy rozwoju

W ostatnich latach obserwuje się dynamiczny rozwój innowacyjnych metod pobudzania nasion. Nanopriming wykorzystuje właściwości nanocząstek do zwiększenia przyswajalności wody, aktywacji szlaków sygnałowych i ochrony przed stresem oksydacyjnym. Badania wykazują, że cząstki srebra czy tlenku cynku mogą poprawiać kiełkowanie nawet w warunkach zasolenia [Waqas i in. 2019]. Coraz większe znaczenie zyskuje priming z użyciem regulatorów wzrostu, takich jak kwas salicylowy, kwas jasmonowy czy brasinosteroidy, które wpływają na odporność roślin na stresy biotyczne i abiotyczne [Dawood 2018]. Pojawiają się również techniki molekularne pozwalające na ocenę skuteczności primingu – analiza ekspresji genów, profili proteomicznych czy wskaźników epigenetycznych. W perspektywie rozwoju znajduje się także modelowanie procesu kiełkowania z użyciem narzędzi bioinformatycznych i sztucznej inteligencji, co może umożliwić przewidywanie zachowania nasion w różnych warunkach środowiskowych i optymalizację zabiegów primingu.

9. Podsumowanie

Pobudzanie nasion stanowi skuteczne narzędzie poprawy jakości materiału siewnego, z licznymi korzyściami agronomicznymi, fizjologicznymi i ekonomicznymi. Jego zastosowanie ma szczególne znaczenie w warunkach stresu abiotycznego i przy obniżonej jakości nasion. Rozwój nowych metod, takich jak biopriming i nanopriming, zwiększa potencjał tej technologii w rolnictwie przyszłości.

Literatura

1. Dutta P. (2018). Seed Priming: New Vistas and Contemporary Perspectives. In: Advances in Seed Priming.
2. Ashraf M.A. i in. (2018). Chemical Priming and Abiotic Stress Tolerance. In: Advances in Seed Priming.
3. Bose B. i in. (2018). Physico-chemical and Molecular Modulation during Seed Priming. In: Advances in Seed Priming.
4. Podlaski S., Chomontowski C. (2020). Impact of sugar beet seed priming... J. Plant Growth Regul. 39:183–189.
5. Chomontowski C., Podlaski S. (2020). Impact of sugar beet seed priming using SMP... BMC Plant Biology 20:32.
6. Powell A.A. (2022). Seed vigour in the 21st century. Seed Sci. Technol. 50(Suppl.):45–73.
7. Priya P. i in. (2018). Trichoderma bio-priming in rice. In: Advances in Seed Priming.
8. Waqas M. i in. (2019). Advances in the Concept and Methods of Seed Priming.
9. Mukherjee D. (2018). Seed priming in endangered medicinal plants. In: Advances in Seed Priming.
10. Dawood M.G. (2018). Seed Priming and Abiotic Stress Tolerance. In: Advances in Seed Priming.
11. Podlaski S. i in. (2010). Efektywność primingu buraka cukrowego. Biul. IHAR, 256:123–132.