Jak działa krzem?

W odpowiedzi na coraz szersze zainteresowanie możliwościami stosowania krzemu w uprawach, w niniejszym artykule zebraliśmy informacje na podstawie naukowych publikacji o skuteczności i sposobach aplikacji tego pierwiastka. Przez kilkanaście ostatnich lat wielu naukowców zarówno w Polsce jak i za granicą poświęciło swoje badania i publikacje naukowe właśnie temu pierwiastkowi. Ważnym aspektem prowadzenia zrównoważonego rolnic­twa jest przestrzeganie zasad integrowanej ochrony roślin (IPM – Integrated Pest Management). Opiera się ona na pierwszeństwie stosowania nie chemicznych metod ochrony roślin oraz działań profilaktycznych mających na celu zapo­bieganie występowaniu i namnażaniu się organizmów szko­dliwych. Jednym z takich działań jest stosowanie krzemu w uprawach rolniczych, które cieszy się coraz większym zainteresowaniem ze strony pro­ducentów rolnych.

Krzem w świetle badań naukowych.

Dostępnych jest wiele wyników badań naukowych sugerujących zastosowanie krzemu jako naturalnego środka wspomagającego ochronę roślin. Wykazano, że krzem jest pierwiastkiem wpływają­cym korzystnie na kondycję roślin poprzez wzmacnianie struktur ich ścian komórkowych, co skutkuje wyższą od­pornością na biotyczne i abiotyczne czynniki stresogenne. Jedną z ważniej­szych funkcji krzemu jest poprawa funkcjonowania gospo­darki wodnej w roślinach. Odnoto­wano łagodzący wpływ krzemu na stres suszy w uprawach m.in.: pszenicy, kukurydzy, ryżu, soi i rzepaku. Stwierdzono, że rośliny na­wożone krzemem wykazują wyższą mrozoodporność, lepiej tolerują obecność metali ciężkich w glebie oraz są mniej na­rażone na wyleganie. Mało kto wie, że krzem jest pierwiastkiem, który był obecny w  odległej historii Ziemi w roślinach w dużych ilościach. Pierwotne organizmy, które pojawiły się na ziemi w erze protozoicznej i paleozoicznej, zawierały w swych tkankach ogromne ilości krzemu. Przykładem tego są organizmy, które przetrwały do naszych czasów, jak np. skrzyp, okrzemki, sinice, widłaki, paprocie, miłorząb i inne. Gatunki powstające w drodze ewolucji w późniejszym okresie, w erze mezozoicznej, zawierają już w swych tkankach głównie węgiel i azot. Krzem w nich zawarty obniżył się w większości gatunków do 1%. W znaczących ilościach pozostaje on nadal w słomie zbóż, źdźbłach traw i niektórych częściach roślin dwuliściennych.

Funkcja krzemu w roślinach nie jest do końca jeszcze wyjaśniona. Wielu badaczy uważa, że krzem spełnia wiele funkcji w roślinach. Między innymi, wchodząc w skład ścian komórkowych, powodując sztywność źdźbeł ryżu, trzciny cukrowej, zbóż i innych roślin z rodziny traw. Wysokie plony ryżu czy też trzciny cukrowej, które przy odpowiednim nawożeniu krzemionką są często nawet o ponad 50% wyższe niż w kontroli. Ponadto obecność krzemionki w ścianach komórkowych roślin utrudnia wnikanie patogenów do ich tkanek. Naukowcy w swoich badaniach stwierdzili również, że krzemionka stymuluje i zapobiega toksycznemu działaniu takich pierwiastków w roślinach, jak mangan, żelazo, glin, cynk i innych występujących w większych stężeniach w glebach. Stwierdzono, że np. w pszenicy dodatek krzemionki do podłoża stymuluje i przyspiesza wschody, a szczególnie jest to widoczne na glebach wysoce zasolonych. To szczególne, pozytywne działanie krzemionki obserwuje się u większości roślin uprawianych na glebach zasolonych.

Krzemionka gromadzona w ścianach komórkowych roślin zwiększa możliwości syntezy lignin przy znacznie mniejszym nakładzie energii. Bez krzemionki roślina na produkcję  1 grama ligniny zużywa aż 2 gramy glukozy. Natomiast w obecności krzemionki 1 gram glukozy pozwala na produkcję 20 gramów ligniny. Stwierdzono, że krzemionka uaktywnia również działanie ADP i ATP, co powoduje intensyfikację przemian energetycznych w komórkach roślinnych. Krzem wykorzystywany jest w uprawie roślin rolniczych jako pierwiastek wpływający korzystnie na rozwój roślin i zwiększający ich odpor­ność na stres oraz wspomagający ich systemy obronne, chroniąc m.in. przed wnikaniem chorobotwórczych patogenów. Krzem szczególne zastosowanie znalazł w uprawach ekologicznych. Nie ma statusu pierwiastka niezbędnego dla rozwoju roślin, jednak jego obecność poprawia ich kondycję.

Krzem jakiego nie znałeś – AgrarSi w trosce o Twoje plony.
AgrarSi to preparat zawierający ponad 67% krzemu pochodzącego z naturalnego,
drobno zmielonego specjalną metodą mikronizowanego zeolitu.

Krzem w profilaktyce przeciwko chorobom grzybowym w uprawach

W swoich doświadczeniach naukowcy odnotowali wyższą odporność roślin uprawnych traktowanych nawozami krzemowymi na patogeny chorobotwórcze, takie jak: grzyby Blumeria graminis, Phaeosphaeria nodorum, Alter­naria spp., Fusarium spp., Oculimacula yallundeae, bakte­rie: Xanthomonas translucens pv. undulosa, Pseudomonas syringae, czy wirusy mozaiki ogórka. Na roślinach nawożonych krzemem obserwu­je się również mniej śladów żerowania szkodników, m.in. mszyc, ze względu na barierę, jaką tworzy zkumulowa­na krzemionka w blaszkach liściowych. Krzem jest prawdopodobnie jedynym pierwiastkiem o tak zróżnicowanym działaniu ochronnym na rośliny, co ma wpływ na wzrost zainteresowania jego stosowaniem we wspomnianym wcześniej zrównoważonym rolnictwie. Krzem był dotąd uważany za nieistotny dla wzrostu i rozwoju ro­ślin. Rośliny dobrze rozwijają się pod jego nieobecność, chociaż w niektórych przypad­kach, np. u skrzypu i ryżu, brak Si powo­duje zwiększoną podatność roślin na infek­cje wywołane przez grzyby.

Jak krzem wnika i działa w roślinach?

W badaniach naukowych dowiedziono również, że suple­mentacja roślin krzemem łagodzi objawy stresów abiotycznych i biotycznych, w tym wywołanych przez metale ciężkie oraz zasolenie czy suszę. Jak się okazuje, trawy mogą odkładać Si w postaci ciał krzemowych wewnątrz komórek epidermy liści, ale również korzeni, gdzie wzmacniają ściany komórek endodermy i metaksylemu. W badaniach wykazano również, że różne metody aplikacji Si (dodawanie do gleby, oprysk do­listny i moczenie nasion w roztworach za­wierających Si) łagodziły negatywne skutki działania kadmu, m.in. poprzez zwiększenie wzrostu roślin, fluorescencji chlorofilu, wy­miany gazowej, efektywności wykorzystania wody i zawartości krzemu. Kadm negatywnie wpływa na rozwój roślin. Pierwiastek ten jest łatwo pobierany i transportowany w roślinie. Efek­ty jego toksycznego działania obserwuje się zarówno na poziomie komórkowym (powsta­wanie reaktywnych form tlenu, peroksydacja lipidów), jak i całych organów (np. zahamo­wanie wzrostu korzeni). Negatywny wpływ kadmu obserwuje się również w przypad­ku tak ważnych dla rośliny procesów jak kiełkowanie nasion czy kwitnienie. Podczas doświadczeń prowadzonych na uprawach, suplementacja roślin krzemem powodowała zwięk­szenie biomasy roślin traktowanych kadmem. Wykazano także, że Si znacząco hamuje pobieranie Cd przez ko­rzenie pszenicy. Należy również zwrócić uwagę, że suplementacja krzemem prowa­dzi do poprawy zdolności antyoksydacyjnych przez m. in. zmniejszenie peroksydacji lipi­dów oraz zwiększenie aktywności dysmutazy ponadtlenkowej (SOD) i peroksydazy gwa­jakolowej (POD) w liściach i korzeniach pszenicy. Korzystne działanie krzemu wykazano również w przypadku roślin narażonych na stres solny i suszę. Wykazano ponadto, że podanie Si roślinom zainfekowa­nym bakterią Xanthomonas translucens pv. undulosa zwiększało ich odporność w wyniku m. in. lignifikacji ścian komórkowych.

Po pobra­niu krzemu przez korzenie z gleby, ten jest transporto­wany do pędu przez ksylem dzięki proce­sowi transpiracji, gdzie jest zagęszczany, a następnie przekształcany w bezpostaciową krzemionkę (SiO₂×nH₂O). Amorficzna krzemionka odkłada się pod epi­dermą tworząc warstwy kutykula-krzemion­ka. Krzemionka jest odkładana w postaci cienkiej warstwy (2,5 μm) w przestrzeni bezpośrednio pod cienką (1,0 μm) warstwą kutykuli. Krzemionka może również być dostarczana nalistnie i powstawać wewnątrz poszczególnych komórek, w ścianach komórkowych czy też w przestworach międzykomórkowych tworząc tzw. fitolity (ciała krzemionkowe). Proces powstawa­nia fitolitów nie zachodzi jednak przypadkowo. Gatunki roślin różnią się wielkością i kształtem gromadzonych fitolitów. Tworzenie i wzrost tych struktur odbywa się pod kontro­lą określonych białek w roślinie . Inne badania wska­zują na duże znaczenie związków krzemoor­ganicznych w roślinach. Stwierdzono, że u wybranych roślin, zawierających 0,74-3,59% Si, ponad 50% całkowitego krzemu znajdu­je się we frakcji organicznej, w porównaniu z formami spolimeryzowanymi i rozpuszczal­nymi. Wykazano, że krzem tworzy frakcję orga­niczną z białkami, związkami fenolowymi (li­gnina, skondensowane polifenole), lipidami i polisacharydami (celuloza, substancje pekty­nowe).

Trawy gromadzą większe ilości krzemu niż inne gatunki roślin, takie jak groch zwy­czajny czy lucerna siewna. Gatunki, które nie akumulują Si nie tworzą też w liściach fitolitów. Jednak obecność krzemu zanotowano w ich wiązkach przewodzących, ścianach ko­mórek epidermy, często w bliskim sąsiedz­twie aparatów szparkowych, ale głównie na końcach wąsów czepnych grochu. W badaniach wykazano, że suplemen­tacja Si wpływa korzystnie na pobieranie składników pokarmowych i plonowanie gro­chu, a aplikacja Si łagodziła negatywne działanie metali ciężkich. Suplementacja roślin grochu krze­mem spowodowała redukcję akumulacji kadmu oraz zwiększenie pobierania makro i mikroelementów przez rośliny traktowane kadmem. Wykazano także, że pod wpływem krzemu poprawiają się parametry wzrostu i rozwoju roślin, wzrasta wydajność fotosyntezy. Wy­kazano, że jednym z mechanizmów ochron­nych indukowanych przez Si w roślinach grochu traktowanych Cd lub narażonych na suszę, nastąpiło zwiększenie aktywności enzymów antyoksydacyjnych (m. in. katalazy, SOD, POD) oraz obniżenie poziomu reaktywnych form tlenu.

Wspieramy zdrowotność i plonowanie roślin mikrobiologicznie!
Sprawdź bi hydro control – nawozowy produkt mikrobiologiczny do wszystkich rodzajów upraw.
Wyróżnia się technologią osadzania bakterii Bacillus na naturalnym klinoptylolicie.

Wpływ krzemu na stresy w uprawie

Badania naukowe wykazały samoistne tworzenie się charakterystycznej krzemionkowej nano­powłoki zewnątrzkomórkowej na komórkach korzeni grochu, która zwiększała odpor­ność roślin na działanie aluminium. Sugeruje się również, że odporność roślin grochu na atak patogenu grzybowego (Mycosphaerella pinodes) może wynikać ze zwiększonej, pod wpływem apli­kacji Si, aktywności enzymów takich jak chitynaza i β-1,3-glukanaza. Natomiast, podobnie jak w przypadku pszenicy i grochu, suplementacja Si roślin lucerny narażonych na działanie Cd, stres solny i stres alkaliczny wywoływa­ła zwiększenie aktywności enzymów antyok­sydacyjnych.

W innych badaniach stwierdzono, że zastosowane nawożenie krzemem miało korzystny wpływ na ograniczenie porażenia liści, łodyg i kolb przez choroby oraz uszkodzeń łodyg i liści powodowanych przez omacnicę prosowiankę w kukurydzy.

W roślinach kukurydzy krzem ograniczał również szkodliwe oddziaływanie suszy, zasolenia, czy metali ciężkich. Udowodniono, że odbywa się to przez pozytywne modulowanie atrybutów fizjologicznych roślin uprawnych. Kluczową rolą jest regulacja fitohor­monów i ich kaskad sygnalizacyjnych. Zaobserwowane ponadto zmniejszenie porażenia roślin kukurydzy pod wpływem zastosowanych nawozów było wynikiem najprawdopodobniej wielokierunkowego działania krzemu. Jak wskazują wyniki wcześniejszych ba­dań pierwiastek ten działa w roślinie na kilku poziomach. Może wpływać na metabolizm, fizjologię i funkcje komór­kowe roślin. Krzem stymuluje również mecha­nizmy antyoksydacyjne, chroni proces fotosyntezy, utrzymuje równowagę jonową i wchłanianie składników pokarmowych, promuje produkcję metabolitów wtórnych, wspomaga fotosyntezę, redukuje ROS i pomaga w chela­tacji toksycznych metali. Dodatkowo, krzem modyfikuje ściany komórkowe roślin i reguluje ekspresję genów tole­rancji na stres. Oczywiste jest, że gromadzenie się krzemu w łodygach i liściach powoduje większość korzystnych efektów. Jednak większość gatunków roślin nie jest w stanie naturalnie zgromadzić znacznych ilości krzemu w pędach dlatego konieczna wydaje się suplementacja krzemem, którego dobrym źródłem jest mikrozmielony zeolit.

W literaturze naukowej szeroko opisywany jest wpływ krzemu na ograniczanie porażenia roślin przez choroby grzybowe. Z gatunków roślin uprawianych w Polsce korzystny wpływ stosowania krzemu na zdrowotność roślin stwierdzono w przypadku takich gatunków roślin, jak m.in. burak cukrowy, rośliny bobowate, pszenica, tymotka łąkowa oraz ziemniak. U buraka cukrowego w badaniach aplikacja krzemu zmniejszyła porażenie roślin przez choroby grzybowe o 80–100% (podobne wyniki uzyskano stosując go z lub bez fungicydu). W rejonie silnej presji infekcyjnej Cercospora beticola Sacc. W uprawie buraka cukrowego na południowym wschodzie kraju.

Stosowanie krzemu miało również korzystny wpływ na zmniejszenie zawartości mykotoksyn w ziarnie kukurydzy.

W ostatnich latach pojawiły się również badania dotyczące stosowania krzemu w rolnictwie ekologicznym. Wiele z nich sugeruje, że krzem może być stosowany jako naturalny środek wspomagający ochronę roślin, co w kontekście ograniczonych możliwości stosowania środków ochrony roślin w rolnictwie ekologicznym nabiera istotności.

Krzem korzystnie wpływa na rozwój korzeni roślin uprawnych, zwiększa odporność roślin na porażenie przez patogeny chorobotwórcze i inwazję szkodników poprzez między innymi usztywnienie liści i łodyg oraz wzmaga syntezę barwników asymilacyjnych, co znajduje potwierdzenie w większej wydajności fotosyntezy przekładając się następnie na zwiększenie plonów. Nawożenie krzemem redukuje toksyczne działanie metali ciężkich, które mogą występować w glebie w nadmiernych stężeniach. Wykazano w nich, że w sytuacji zwiększonego stresu szansa na uzyskanie pozytywnych efektów związanych ze stosowaniem krzemu jest większa.

Krzem wykazuje podobieństwa do roślinnych hormonów stresu, takich jak jasmonian i salicylian produkowanych jako efekt wzbudzenia systemu obronnego rośliny. Stwierdzono również, że pierwiastek ten zmniejsza podatność roślin na wyleganie. Zastosowanie krzemu wpływa pozytywnie na wzrost i wigor roślin na kilku płaszczyznach: zwiększa tolerancję na stres abiotyczny (promieniowanie UV B, stres osmotyczny, stres związany z metalami i metalami ciężkimi, stres ekstremalnej temperatury, stres oksydacyjny, stres solny i zasolenie) oraz odporność na stres biotyczny. Badania pokazują istotną rolę krzemu w odporności roślin na stres wywołany abiotycznymi i biotycznymi czynnikami środowiska. Krzem jest pierwiastkiem, który korzystnie wpływa na rozwój systemu korzeniowego roślin uprawnych. Zwiększa on odporność roślin na infekcje patogenami oraz inwazję szkodników poprzez utwardzanie liści i łodyg, co jednocześnie stymuluje syntezę barwników asymilacyjnych.

Najwcześniejsze doniesienia o pośredniej roli krze­mu w kształtowaniu odporności na szkodniki datowane są na 1920 rok i odnoszą się do muszki heskiej w pszenicy. Okazało się, że zjadanie przez  szkodnika liści bogatych w krzem powodowało, że konwersja pokar­mu w masę ciała była mniej wydajna, a zawartość tłuszczu mniejsza. Utrudniało to wzrost larw, opóźniało ich nimfozę i zwiększało śmiertelność larw w pierwszym stadium lar­walnym, co tylko potwierdziło jego duże znaczenie w podnoszeniu odporności roślin na agrofagi.

Niewidzialny obrońca roślin!
Nawóz krzemowy PoliSil został stworzony z myślą o poprawienie odporności roślin
w czasie okresu wegetacji. Dowiedz się więcej!

Efektem działania krzemu jest również wzmożona efektywność fotosyntezy, która przekłada się na przyspieszony rozwój i zwiększoną siłę życiową roślin. Dodatkowo, krzem prowadzi do utwardzenia łodyg, co ogranicza wyleganie roślin oraz zwiększa ich odporność na stresy środowiskowe, takie jak susza, niskie i wysokie temperatury. W konsekwencji, obserwuje się zwiększenie plonów. Badania potwierdziły również, że rośliny traktowane dolistnie krzemem efektywniej wykorzystują składniki pokarmowe zawarte w glebie oraz w nawozach. Rola krzemu w organizmach roślinnych nie ogranicza się jedynie do tworzenia bariery fizycznej lub mechanicznej poprzez amorficzną krzemionkę zawartą w ścianach komórkowych, światłach i pustkach międzykomórkowych. Krzem wykazuje zdolność do modulowania metabolizmu roślin oraz do modyfikacji ich aktywności fizjologicznej, szczególnie w warunkach stresowych.

Obecność krzemu w tkankach roślinnych lub na ich powierzchni dostarcza istotnego wsparcia strukturalnego dla organizmu roślinnego. Istotne jest, że nadmierna aplikacja krzemu nie ma negatywnego wpływu na rośliny ani nie prowadzi do ich zanieczyszczenia.

Zdrowotność roślin jest jednym z kluczowych czynników wpływających na wielkość uzyskanego plonu. Infekcje roślin przez patogenne grzyby prowadzą do strat w plonach, które mogą się różnić w zależności od odmiany, warunków pogodowych i technologii uprawy. Zastosowanie rozpuszczalnej formy krzemu może pomóc zmniejszyć intensywność symptomów chorób roślin. Zgodnie z badaniami przeprowadzonymi przez Griffina, krzem może ograniczać również żerowanie ślimaków. Obecnie, najważniejszą rolą krzemu jest łagodzenie skutków deficytu wody w roślinach. Różne formy krzemu i ich związki wpływają na efekt przeprowadzanej aplikacji. W dwuletnich badaniach z ziemniakiem, zaobserwowano istotny wzrost plonu, o 12,9% w porównaniu z kontrolą. Największy wzrost plonu zanotowano w roku suchym (2018), po zastosowaniu krzemianu w fazie zwierania międzyrzędzi i po kwitnieniu. Stwierdzono tendencję do wzrostu udziału dużych bulw, o średnicy ponad 60 mm, w plonie oraz zmniejszania się udziału bulw zdeformowanych po zastosowaniu krzemianu. Wykazano korzystny wpływ preparatu zawierającego krzem na zawartość skrobi i witaminy C w bulwach.

Pszenica jara traktowana zaprawą krzemową i zabiegami dolistnymi z krzemem organicznym charakteryzowała się największą długością i masą kłosa, co przełożyło się na zwyżkę plonu. Wyższe plonowanie pszenicy jarej było związane z mniejszym porażeniem liści przez patogeny grzybowe, Krzem można stosować wielokierunkowo, jednak najczęściej stosowaną metodą jest aplikacja dolistna, polegająca na dwu lub trzykrotnym opryskiwaniu roślin w trakcie wegetacji, rozpoczynając zabiegi we wczesnych fazach rozwojowych roślin – na początku krzewienia w przypadku zbóż i na 3 do 4 liści w uprawie buraka. W przypadku buraka cukrowego, zaleca się stosowanie krzemu od fazy 6 do 8 liści do fazy zakrycia międzyrzędzi. Należy ponownie podkreślić, że im większy jest czynnik stresu – np. susza – tym bardziej widoczne są efekty łagodzenia stresu. Krzem nie przyczynia się bezpośrednio do wzrostu plonowania, ale ogranicza straty. Coraz częściej podkreśla się pozytywny wpływ aplikacji krzemu w kukurydzy, gdzie zaleca się wykonanie od 2 do 3 zabiegów dolistnych w fazie od 2 do 8 liścia. Przeprowadza się kolejne doświadczenia z krzemem w uprawach takich jak ziemniak, łubin biały, gryka, groch siewny oraz na użytkach zielonych.

Pozytywny wpływ krzemu na jakość żywności

Krzemionka spełnia ogromną rolę w fizjologii roślin i zwierząt. Nie wszystkie jednak aspekty fizjologicznej roli krzemionki w organizmach roślinnych i zwierzęcych zostały jeszcze wyjaśnione. W związku z tym nasuwa się pytanie: czy nawozić krzemionką rośliny zbożowe i warzywne oraz krzewy owocowe rośliny jagodowe? Przedstawione wyniki wskazują na wy­raźny wpływ krzemu na aktywację stanu metabolicznego roślin i intensyfikację reak­cji obronnych na bodźce zewnętrzne. Analiza procesów odpowiedzialnych za regenerację komórek roślinnych poddawanych streso­wi może pomóc w zrozumieniu ich mecha­nizmu.

Z tego względu w kręgu zainteresowań bada­czy jest wykorzystanie np. biofortyfikacji, czyli procesu wzbogacania roślin w konkret­ne pierwiastki (np. krzem) poprzez hodowlę, techniki transgeniczne lub praktyki agrono­miczne, co pozwoli­łoby na zwiększenie ich ilości w jadalnych częściach roślin. Niestety, biodostępność Si jest bardzo niska, ponieważ jego większość zakumulowana jest w roślinach w postaci krzemionki fitolitycz­nej, często powiązanej z polisacharydowymi/węglowodanowymi składnikami ściany ko­mórkowej i jest wchłaniana tylko w 1-20%. U ludzi, suplementacja krzemem, również w postaci zeolitu prowadzi do wzmocnienia kości i tkanki łącznej oraz zmniejsza ryzyko łysienia, wystąpienia cho­roby Alzheimera i chorób sercowo-naczynio­wych. Regularne spożywanie owoców, warzyw i produktów pełnoziarnistych jest ujemnie skorelowane z ryzykiem rozwoju chorób przewlekłych. Zawartość krzemu w żywności po­chodzenia roślinnego, głównie w zbożach, jest znacznie wyższa niż w żywności pocho­dzenia zwierzęcego.

Autor tekstu:
dr inż. Anna Ambroszczyk
Dyrektor Działu badań i rozwoju