Стимулирование прорастания семян зерновых некогерентным красным светом: теория и практика

Размещено на http://allbest.ru

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

Как видно из данных таблицы 2, воздействие красного света вызвало существенное ускорение динамики роста проростков ячменя. После семи дней проращивания растения опытных вариантов опережают контрольные как по массе, так и по длине проростков: общая масса проростков выше контроля на 0,25-0,51 г, длина колеоптелей - на 0,30-1,33 см.

Максимальная прибавка биометрических показателей достигнута при 5 минутах воздействия НКС, что подтвердило наибольшую эффективность дозы облучения 30 Дж/м². семеноводство свет красный растение рост

Заключение

Проведенные исследования выявили эффективность использования некогерентного красного света для стимулирования прорастания семян зерновых. Выявленное улучшение посевных качеств семян под действием облучения НКС активизирует начальные ростовые процессы в семенах, что в дальнейшем отразится на ускорении роста и развития растений и в конечном итоге приведет к повышению урожайности зерна.

Наиболее эффективным приемом является обработка замоченных в течение 24 часов семян при экспозиции НКС 5 мин, что обеспечивает суммарную дозу облучения 30 Дж/м².

Предложенный прием имеет наибольшие перспективы использования 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. Это делает возможным использование на семенные цели некондиционного зерна, что в итоге повышает эффективность сельскохозяйственного производства.

Список литературы

1. Кулаева О.Н. Как свет регулирует жизнь растений // Соросовский Образовательный Журнал, 2001. - № 4. - С. 6-12.

2. Либберт, З. А. Физиология растений. / З. А. Либберт. - М.: Мир, 1976. - 258 с.

3. Кару, Т.Й. Зависимость биологического действия низкоинтенсивного видимого света на клетки от параметров излучения - когерентности, дозы и длины волны / Т.Й. Кару, Г.С. Календо, В.С. Летохов // Известия АН СССР (серия физическая), 1983. - Т.47, № 10. - С.2017-2022.

4. Способ обработки посадочного материала картофеля. РФ/ Руделев С.А., Савина О.В., Сергеева О.А. Патент № 2283561, 2006

5. Савина, О.В. Использование некогерентного красного света для повышения продуктивности, качества и сохраняемости продовольственного картофеля / О.В. Савина // Хранение и переработка сельхозсырья.-2009. -№ 4. - С.43-45.

6. Гранкова,Л.И. Использование некогерентного красного света для стимулирования роста и развития пробирочных растений картофеля / Л.И. Гранкова, О.В. Савина // Аграрная Россия, 2013. - №7. - с.9-12.

7. ГОСТ 12038-84. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести.

8. ГОСТ Р 52325-2005. Семена сельскохозяйственных растений. Сортовые и посевные качества. Общие технические условия.

Literatura

1.Кulaeva, О.N. Кak svet reguliruet zhizn' rasteniy // Sorosovskiy Obrazovatel'ny Zhurnal, 2001. - № 4. - S. 6-12.

2.Libbert, Z.A. Fiziologiya rasteniy. / Z.A. Libbert. - М.: Мir, 1976. - 258 s.

3.Каru, Т.Y. Zavisimost' biologicheskogo deystviya nizkointensivnogo vidimogo sveta na kletki ot parametrov izlucheniya - kogerentnosti, dozy i dliny volny / Т.Y. Каru, G.S. Каlendo, V.S. Letokhov // Izvestiya АN SSSR (seriya fizicheskaya), 1983. - Т. 47, № 10. - S. 2017-2022.

4.Sposob obrabotki posadochnogo materiala kartofelya. RF/ Rudelev S.А., Savina О.V., Sergeeva О.А. Patent № 2283561, 2006

5.Savina, О.V. Ispol'zovanie nekogerentnogo krasnogo sveta dlya povysheniya produktivnosti, kachestva I sokhranyaemosti prodovol'stvennogo kartofelya / О.V. Savina // Khranenie i pererabotka sel'khozsyr'ya.-2009. - № 4. - S. 43-45.

6.Grankova, L.I. Ispol'zovanie nekogerentnogo krasnogo sveta dlya stimulirovaniya rosta i razvitiya probirochnykh rasteniy kartofelya / L.I. Grankova, О.V. Savina // Аgrarnaya Rossiya, 2013. - № 7. - s. 9-12.

7.GOST 12038-84. Semena sel'skokhozyaystvennykh kul'tur. Меtody opredeleniya vskhozhesti.

8.GOST R 52325-2005. Semena sel'skokhozyaystvennykh rasteniy. Sortovye i posevnye kachestva. Оbshchie tekhnicheskie usloviya.

Аннотация

УДК 631.53.01

Стимулирование прорастания семян зерновых некогерентным красным светом: теория и практика. Савина Ольга Васильевна, д-р с.-х. наук, профессор кафедры товароведения и экспертизы, Рязанский государственный агротехнологический университет имени П.А. Костычева, Savina-999@mail.ru

Руделев Сергей Алексеевич, канд. техн. наук, доцент, Рязанский государственный радиотехнический университет, rudelev-ce@mail.ru

Родионова Анна Евгеньевна, д-р биол. наук, профессор, Тверская государственная сельскохозяйственная академия, aerodionova@mail.ru

Целью исследований явилось теоретическое обоснование и практическая реализация способа обработки семян зерновых некогерентным красным светом (НКС). Объект исследования: экспериментальная установка НКС, обеспечивающая поток оптического излучения в широком диапазоне красной области спектра: соотношение мощностей излучения в диапазоне длин волн 540-680 нм (красный свет) и свыше 680 нм (длинноволновый красный свет) составляет не менее 5,5 : 1.

Отработку режимов облучения проводили с использованием некондиционных семян ячменя сорта Ксанаду с первоначальной всхожестью 70%. Изучено действие различных доз НКС на сухие и замоченные семена. Эффективность обработки оценивали по показателям энергии прорастания и всхожести, определяемым на третий и седьмой день, соответственно.

Определение биометрических показателей роста проростков ячменя проводили после семи дней проращивания на 10 проростках.

Выявлено, что обработка некогерентным красным светом замоченных в течение 24 часов семян значительно эффективней облучения сухих семян: прибавка по отношению к контролю показателя всхожести в опытных вариантах составила 8,8 -27,1%.

После семи дней проращивания растения опытных вариантов опережали контрольные как по массе, так и по длине проростков: общая масса проростков выше контроля на 0,25-0,51 г, длина колеоптилей - на 0,30-1,33 см. Наибольшую прибавку по всем показателям вызвала экспозиция НКС 5 мин, что соответствует суммарной дозе облучения 30 Дж/м².

Предложенный способ стимулирования прорастания имеет наибольшие перспективы использования 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. Это делает возможным использование на семенные цели некондиционного зерна, что в итоге повышает эффективность сельскохозяйственного производства.

Ключевые слова: некогерентный красный свет, стимулирование роста, фитохром, семена, доза облучения, энергия прорастания, всхожесть, биометрические показатели, проростки ячменя.

Annotation

Grain seeds germination stimulation with incoherent red light: theory and practice. Savina Olga Vasilevna, doctor of agricultural sciences, рrofessor, Ryazan State Agrotechnological University Named after P.A. Kostychev, Savina-999@mail.ru

Rudelev Sergey Alekseevich, Associate Professor, candidate of technical sciences, Ryazan State radio Engineering University, rudelev-ce@mail.ru

Rodionova Anna Evgenievna, Professor, doctor of biological sciences, Tver State Agricultural Academy, aerodionova@mail.ru

The aim of the investigation has been theoretical justification and practical realization for the method of treating grain seeds with incoherent red light (IRL). The object of the investigation is an experimental assembly of IRL providing the stream of optical radiation in a wide range of the red region. The correlation of radiation power within the wave band of 540-680 nm (red light) and more than 680 nm (long-length red light) comprises not less than 5.5 : 1.

We have conducted irradiation regimes tests using substandard seeds of barley variety Ksanadu with initial germination of 70 %. We have studied the effect of different doses of IRL on dry and soaked seeds.

We have evaluated the treatment efficiency in terms of vigor and germination determined on the 3^d and the 7^th days correspondingly. We have determined biometrics of barley seedlings growth after 7 days of 10 seedlings germination. We have discovered that treating the seeds soaked for 24 hours with incoherent red light is more efficient than that with dry seeds.

The experiment germination rate increase as compared with that of the control has been 8.8 - 27.1 %. On the 7^th day of the experiment the experiment plants have exceeded the control variants both in mass and seedlings length. The total mass has been 0.25-0.51 gr. higher than that of the control and the seedlings length has been 0.30-1.33 cm more.

The 5 min IRL exposure has had the highest increase in everything that corresponds to the total dose of 30 J/m². The proposed method of germination stimulation is most perspective for the pre-plant treatment of grain substandard seeds having low germination ability as treating the soaked seeds with incoherent red light makes it possible to increase their germination abilities up to the standard norms. It makes possible to use substandard seeds for planting and as a result increases the agricultural production efficiency.

Key words: food potato, storage, damage, bio-drugs, Biopag-D, natural mass loss, microbiological state of tubers, dry matter, economic effect.

Размещено на Allbest.ru