Статья: Стимулирование прорастания семян зерновых некогерентным красным светом: теория и практика

¹Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева

²Рязанский государственный радиотехнический университет

³Тверская государственная сельскохозяйственная академия

УДК 631.53.01

Стимулирование прорастания семян зерновых некогерентным красным светом: теория и практика

¹Савина Ольга Васильевна, д-р с.-х. наук,

профессор кафедры товароведения и экспертизы

²Руделев Сергей Алексеевич,

канд. техн. наук, доцент,

³Родионова Анна Евгеньевна,

д-р биол. наук, профессор,

Введение

В настоящее время стимулирование прорастания семян сельскохозяйственных культур приобретает все большую актуальность. Запуск начальных ростовых процессов приводит к ускорению роста и развития растений и в конечном итоге повышает эффективность сельскохозяйственного производства.

Использование химических способов обработки семян имеет ряд отрицательных последствий, среди которых загрязнение окружающей среды, накопление опасных химических веществ как в почве, так и в продукции растениеводства, значительные затраты при выполнении работ. Анализируя различные альтернативные разработки технологий обработки семян, можно заключить, что наиболее привлекательным для этой цели является применение различных физических факторов.

Исходя из этого, нами предложен способ обработки семян зерновых культур некогерентным красным светом (НКС).

Теоретические основы применения НКС для стимулирования растений

Стимулирующее действие красного света давно известно в физиологии растений. Запуск и ускорение физиологических процессов в растении под действием красного света происходит через фитохромную систему, преобразующую энергию световых импульсов в энергию биохимических реакций [1]. Фоторецептор фитохром существует в растениях в двух формах, которые могут превращаться друг в друга. Одна его форма, Ф_к, воспринимает красный свет и превращается в другую форму - Ф_дк. Ф_дк представляет собой физиологически активную форму фитохрома, которая возбуждает активацию процессов, вызываемых красным светом. Под действием дальнего красного света (ДКС) рецептор возвращается в состояние Ф_к, и благодаря этому реакция прекращается:

Наиболее активной для превращения фитохрома в активную форму является область спектра в диапазоне длин волн 540-680 нм с максимумом при 660 нм, а для противодействия - 700-760 нм.

На рисунке 1 приведены спектры поглощения двух форм фитохрома - Ф_к и Ф_дк, а также дифференциальный спектр, представляющий собой разность кривых поглощения Ф_к и Ф_дк (Ф_к - Ф_дк), и показывающий взаимопревращение двух форм фитохрома в зависимости от длины волны падающего света.

Рис. 1 - Спектр действия и поглощения реакций, управляемых системой красный/дальний красный свет

Очевидно, что диференциальный спектр отражает наиболее активную область действия регулируемых фитохромом реакций - 540-680 нм с максимумом при 660 нм [2].

Использование мощного некогерентного источника красного света, обеспечивающего излучение в указанной области спектра, позволяет целенаправленно воздействовать на первоначальные ростовые процессы растений, приводя к увеличению энергии прорастания и всхожести и, в конечном итоге, повышению урожайности и качества продукции растениеводства.

Ранее в практике семеноводства для стимулирования прорастания семян широко применялся гелий-неоновый лазер (ГНЛ), обеспечивающий монохроматическое когерентное излучение с длиной волны 633 нм. Эффективность использования ГНЛ связана со случайным попаданием его излучения в область поглощения фитохрома Ф_к. Однако к настоящему времени показано, что эффект биостимуляции не связан с когерентностью излучения [3 Кару Т.Й., Афанасьева Н.И.]. В новых экспериментальных установках все чаще отказываются от гелий-неоновых лазеров в пользу недорогих источников некогерентного излучения. Поскольку создание мощной промышленной установки КС требует нескольких гелий-неоновых лазеров и значительных материальных затрат (один гелий-неоновый лазер мощностью 25 мВт в современных ценах стоит около 32 тыс. руб.), замена его на аналогичный по действию недорогой некогерентный источник КС представляется весьма целесообразной.

Разработка экспериментальной установки некогерентного красного света

Учитывая перспективность использования красного света для стимулирования прорастания семян, нами разработана и сконструирована экспериментальная установка, обеспечивающая поток оптического излучения в широком диапазоне красной области спектра [4].

При конструировании установки главной задачей было создание некогерентного источника красного света с высокой мощностью излучения в области максимума поглощения фитохрома Ф_к (660 нм).

Основным конструкционным элементом экспериментальной установки является газоразрядная лампа с особым наполнением, обеспечивающим излучение в активной области поглощения фитохрома.

Проведена обширная предварительная работа с целью получения нужного спектра излучения и достаточного срока службы лампы (не менее 1000 часов).

На рисунке 2 приведена гистограмма распределения интенсивности излучения газоразрядной лампы в зависимости от длины волны падающего потока (2), а также гистограмма дифференциального спектра поглощения фитохрома, показывающая взаимопревращение двух форм фитохрома в зависимости от длины волны падающего потока (1).

Как видно из рисунка, диапазоны наиболее часто встречающихся интенсивностей излучения лампы практически совпадают с областью максимального накопления в биологической системе активной формы фитохрома ФХ_дк.: соотношение мощностей излучения в диапазоне длин волн 540-680 нм (красный свет) и свыше 680 нм (длинноволнового красного света) составляет не менее 5,5 : 1.

Рис. 2 - Спектр излучения прибора некогерентного красного света

1 - дифференциальный спектр поглощения фитохрома; 2 - спектр излучения прибора, 3 - излучение гелий-неонового лазера

Для сравнения на рисунке 2 показан спектр излучения гелий-неонового лазера (3), обеспечивающего поток когерентного излучения одной длины волны - 633 нм.

Очевидно, что предложенный нами источник некогерентного красного света обладает большей эффективностью по сравнению с гелий-неоновым лазером, так как максимально охватывает активную область действия регулируемых фитохромом реакций.

Рис. 3 - Внешний вид установки НКС для предпосевной обработки семян

На рисунке 3 показан внешний вид экспериментальной установки некогерентного красного света. Газоразрядная лампа помещена в систему отражателей и закреплена на деревянной стойке. Поддоны с облучаемым зерном размещаются параллельно газоразрядной лампе на расстоянии не более 7 см от оси лампы, что обеспечивает плотность мощности излучения красного света не менее 0,1 мВт/см².

В отличие от гелий-неонового лазера, применяемого ранее в практике растениеводства для стимуляции растений, предложенный нами источник некогерентного красного света не требует отдельного помещения, легко встраивается в технологическую линию предпосевной обработки семян зерновых, дает возможность создания недорогой промышленной установки с более высокой, по сравнению с гелий-неоновым лазером, производительностью.

Обработка режимов облучения семян зерновых на экспериментальной установке НКС

В задачи наших исследований входила отработка оптимальных режимов облучения семян зерновых на созданной установке НКС. Исследованиями, проведенными авторами на картофеле, установлено, что некогерентный красный свет вызывает максимальную биостимуляцию живых клеток при дозе облучения до 90 Дж/м². При дальнейшем увеличении суммарной дозы НКС физиологический эффект имеет тенденцию к падению [5, 6]. Исходя из этой дозы, рассчитали время облучения семян зерновых на экспериментальной установке НКС, оно составило 5;10 и 15 минут (доза облучения 30; 60 и 90 Дж/м², соответственно).

Для обработки использовали зерно ячменя сорта Ксанаду. Изучали действие НКС как на сухие, так и на замоченные семена. Эффективность обработки изучали по показателям энергии прорастания и всхожести, определяемым на третий и седьмой день [7].

Для облучения было взято зерно ячменя с первоначальной всхожестью 70 %, что не соответствует требованиям ГОСТ Р 52325-2005 по данному показателю для семян ячменя [8]. Однако, использование в эксперименте семян с пониженной всхожестью позволяет максимально выявить стимулирующий эффект красного света. Влияние различных доз некогерентного красного света на показатели энергии прорастания и всхожести ячменя при облучении сухих семян показаны в таблице 1.

Таблица 1 - Влияние экспозиции красного света на показатели всхожести ячменя при облучении сухих семян

Как видно из представленных данных, во всех вариантах с облучением выявлена тенденция в сторону увеличения показателей всхожести семян: энергия прорастания и всхожесть выше контрольных показателей на 0,7-4,1 %. Однако, достоверность данных изменений не подтверждается математически: фактическое отклонение опытных показателей от контрольных не превышает значение НСР₀₅ как по энергии прорастания, так и по всхожести.

Далее изучили эффективность действия НКС на замоченные семена ячменя. При замачивании семян зерновых в них активизируются ферментативные системы, которые вызывают гидролиз высокомолекулярных соединений эндосперма, обеспечивающих питание зародыша и запуск первоначальных ростовых процессов, стимулирование которых и дает облучение НКС.

Обработку проводили через сутки после замачивания семян, когда их влажность достигала 40-44 %.

На рисунке 4 показано влияние различных доз НКС на всхожесть ячменя.

Рис. 4 - Влияние экспозиции красного света на всхожесть ячменя при облучении замоченных семян

Всхожесть является одним из основных показателей посевных качеств семян. Согласно требованиям ГОСТ 52325-2005, всхожесть семян ячменя должна быть не ниже 92 % для элитных и оригинальных семян, и не ниже 87 % - для репродукционных семян, предназначенных для производства товарной продукции. В контрольном варианте данный показатель существенно ниже допустимого по стандарту (70 %), что делает невозможным использование данной партии ячменя на семенные цели. Как видим из представленных данных, обработка некогерентным красным светом замоченных в течение 24 часов семян оказалась значительно эффективней облучения сухих семян: прибавка по отношению к контролю показателя всхожести в опытных вариантах составила 8,8 -27, 1 %, что существенно выше, чем при облучении сухих семян.

Наибольшую прибавку всхожести вызвала экспозиция НКС 5 мин, что соответствует суммарной дозе облучения 30 Дж/м². Следует отметить, что в данном варианте значение показателя всхожести составило 97,1 %, что соответствует требованиям стандарта для семенного ячменя.

Это открывает перспективы использования предлагаемого приема для предпосевной обработки некондиционных семян зерновых с пониженной всхожестью, поскольку обработка некогерентным красным светом замоченных семян позволяет довести их посевные качества до установленных стандартом норм.

Для выявления действия НКС на активизацию начальных ростовых процессов в замоченном зерне ячменя исследовали динамику изменения биометрических показателей роста проростков ячменя в зависимости от дозы облучения. Исследования проводили после семи дней проращивания облученных и контрольных растений на 10 проростках. Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Влияние экспозиции красного света на биометрические показатели роста проростков ячменя