Способ активации проращивания семян нуга Абиссинского
METHOD FOR ACTIVATING GERMINATION OF ABYSSINIAN NOUGAT SEEDS

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к растениеводству, и может найти применение для повышения всхожести семян, в селекции с использованием агробиотехносистем с искусственным освещением и расширении области применения гидротермального нанокремнезема в технологиях получения пророщенного нуга Абиссинского для  здорового питания.
В последние 20 лет в практику сельскохозяйственной науки и биотехнологии активно входят агробиотехносистемы различных конструкций и модификаций, предназначенные для исследования процессов выращивания растений в контролируемых условиях. В России эти технические системы наиболее известны под термином фитотроны. Последние годы появились и модификации  фитотронов для решения вопросов выращивания растений для космического питания и медицины (Коновалова И.О., Беркович Ю.А., Ерохин А.Н., Смолянина С.О., Яковлева О.С., Знаменский А.И., Тараканов И.Г., Радченко С.Г., Лапач С.Н. Обоснование оптимальных режимов освещения растений для космической оранжереи «Витацикл-Т» // Авиакосм. и экол. мед. – 2016. – Т. 50, № 4. – С. 28-36) а также класс фитотронов – синерготроны с программно-управляемыми параметрами, включая и режимы освещения светодиодными источниками света (Жизненный цикл и экология растений: регуляция и управление  средой  обитания в агробиотехносистемах. Сборник научных трудов. Выпуск 1 / Под редакцией проф. В.Н. Зеленкова – М.: Техносфера, 2018. - 208с. ISBN 978-5-94836-543-5).
Аналогом предлагаемого изобретения является работа по изучению досвечивания горчицы салатной в фазе технической зрелости растений светодиодными светильниками с красным и синим полидисперсным спектром (Зеленков В.Н., Кособрюхов А.А., Лапин А.А., Латушкин В.В. Продуктивность и антиоксидантная активность горчицы салатной при облучении красным и синим светом в замкнутой системе фитотрона класса синерготрон  ИСР-1.1 / Жизненный цикл и экология растений: регуляция и управление средой обитания в агробиотехносистемах. Сборник научных трудов. Вып. 1/ Под редакцией проф. В.Н. Зеленкова – М.: Техносфера, 2018 - С. 144-154. ISBN 978-5-94836-543-5, DOI: 10.22184/978-5-94836-543-5-142-152.
Однако данный аналог рассматривает источник света в красной области излучения светодиодного светильника как полидисперсный фотонный источник широкой области красного излучения регулируемого светильника синерготрона модели 1.01 (разработка АНО Институт стратегий развития, г. Москва) и дает техническое решение вопросов интенсификации роста растений салатной культуры только в фазе технической зрелости.
Известно, что влияние света на этапе прорастания семян мало связано с интенсивностью фотосинтеза, т.к. фотосинтетический аппарат – листья растений, еще не сформированы. Наиболее близким к предлагаемому решению является работа: Зеленков В.Н. Латушкин В.В., Карпачев В.В., Барышок В.П., Верник П.А, Гаврилов С.В. Влияние кремнийорганического соединения 1- этоксисилатрана и минерального питательного раствора на рост сеянцев нуга Абиссинского при разных режимах импульсного освещения. // Сб. научн. трудов по мат. XIII Межд. симпозиума "Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования", Москва, РУДН, 13.06.2019, с.65-67.
В известном способе-прототипе авторы применяют спектры освещения широкого диапазона с высокой энергетической составляющей генерируемых пучков фотонов, снижение уровня суммарной интенсивности которых достигается режимами в вариантах перевода светодиодного освещения из непрерывного в прерывистый – импульсные режимы. Однако, способ-прототип не позволяет достичь необходимого технического результата при проращивании семян нуга по сравнению с предлагаемым решением светодиодного монохроматического освещения с заданной низкой интенсивностью фотонов в области синего, или зеленого или красного моноспектров в условиях замкнутой агробиотехносистемы -синерготрона.
Технический результат - расширение возможностей использования светодиодного освещения в варианте монохроматических спектров синего, зеленого и красного света в комбинации с обработкой перед проращиванием семян наночастицами кремнезема гидротермального происхождения для повышения всхожести семян нуга Абиссинского, продуктивности его ростков в фазе 7-ми суточного проращивания.
2
2
Техническое решение заявленного изобретения заключается в том, что в отличие от прототипа, семена предварительно обрабатывают водным золем 0,001% гидротермального нанокремнезёма в течение 120 минут с последующим посевом и проращиванием семян на подложке, полив проводят дистиллированной водой по мере подсыхания подложки в течение 7 суток, при непрерывном освещении светодиодами синего света с длиной волны 440 нм или светодиодами зеленого света с длиной волны 525 нм или светодиодами красного света с длиной волны 660 нм, причем для всех источников используют режим низкой интенсивности генерируемых фотонов в диапазоне 1,44 мкМоль/(м⋅с) – 6,52 мкМоль/(м⋅с) на уровне подложки с семенами.
Способ осуществляют следующим образом.
Для экспериментальной проверки способа в качестве сельскохозяйственной культуры использовали нуг Абиссинский, сорт Липчанин (оригинатор сорта ВНИИ рапса, г.Липецк) – первый в Росси сорт интродуцированной масличной и технической растительной культуры юга Африки. Испытания проводили с использованием экспериментального образца агробиотехносистемы - синерготрона с цифровым программным управлением основными параметрами (температура, влажность, освещение)  среды проращивания  (модель 1.01. конструкции АНО «Институт стратегий развития», г.Москва).
Для обработки семян нуга использовали гидротермальный нанокремнезем (ГНК), полученный очисткой от примесей термальной природной воды Мутновского месторождения в ООО НПФ «Наносилика» (г. Петропавловск-Камчатский) концентрированием наночастиц кремнезема ультрафильтрацией. Используемый в испытаниях исходный золь нанокремнезема характеризовался исходной концентрацией по кремнезему 5,0%, полидисперсностью составляющих его наночастиц с преобладанием размеров 10-20 нм. Исходный золь 5 % ГНК разводили дистиллированной водой (из расчета 1 мл исходного золя на 5000 мл воды) для приготовления 0,001 %-ной концентрации рабочего раствора гидротермального нанокремнезема для обработки семян. Обработку семян проводили, замачивая их в рабочем растворе в течение 120 минут.
2
2
2
2
Проращивание семян проводили согласно ГОСТ 12038-84 с изменениями, а именно: вместо фильтровальной бумаги использовали подложку из минеральной ваты в виде пластин 20*20 см (400 см). Количество семян 160 шт., повторность трехкратная. Масса 1000 семян нуга Абиссинского сорта Липчанин, использованных для посева, составляла 3,9 г. Полив проводили дистиллированной водой по мере подсыхания подложки. В качестве контроля использовали проращивание семян нуга в темноте, которые перед посевом предварительно выдерживали в дистиллированной воде  в течение 120 минут, а в опытных вариантах проводили проращивание с использованием монохроматического освещения с низкой интенсивностью фотонов, генерируемых светодиодными источниками синего (СД СС), зеленого (СД ЗС) и красного (СД КС) света с длинами волн 440 нм, 525 нм и 660 нм, с интенсивностью 6,52  мкМоль/(м⋅с), 1,44 мкМоль/(м⋅с) и 2,36 мкМоль/(м⋅с), соответственно, на уровне подложки с семенами.
На 3-й день определяли энергию прорастания, а на 7-й день определяли всхожесть семян в опытных  и контрольном вариантах и измеряли  высоту ростков, их продуктивность (массу 100 проростков) в 3-х  повторностях.  Определяли среднее арифметическое по энергии проращивания, всхожести, высоты и продуктивности ростков нуга.
Для оценки запуска в предлагаемом способе  первичного фотосинтеза (автотрофного питания) определяли спектрофотометрически фотосинтетические пигменты в ростках. Для этого проводили экстракцию пигментов этанолом из образцов сырых ростков на 7-е сутки проращивания.
Результаты испытаний реализации способа приведены в таблицах 1 и 2.
Применение предложенного способа с предварительной предпосевной обработкой семян нуга Абиссинского 0,001 % водным золем гидротермального нанокремнезема в течении 120 минут и использованием светодиодных источников  синего  (СД  СС),  зеленого (СД ЗС) и красного  (СД КС) света с длинами волн 440 нм, 525 нм и 660 нм, соответственно и с низкой интенсивностью при проращивании семян 7 суток при  непрерывном освещении позволяет повысить энергию прорастания на 12,2  % в случае применения освещения СД КС и практическое сохранение (незначительное уменьшение в пределах погрешности измерения на 1,1 и 1,6 %) по сравнению с контролем энергии проращивания для вариантов СД ЗС м СД СС (табл.1).
Во всех вариантах применения монохроматического освещения всхожесть семян нуга увеличилась от 1,2 % (СД СС) ,1,6 % (СД ЗС) до 3,1 % (СД КС).
Таблица 1. Энергия проращивания (3-и сутки), всхожесть (7-е сутки) семян нуга Абиссинского  (сорт Липчанин) в опытах и контроле
Вариант опыта
Энергия проращивания, %
Изменение энергии относительно контроля, %
Всхожесть, %
Изменение всхожести относительно контроля, %
Проращивание семян в темноте – контроль
73,6
-
92,6
-
Проращивание семян при постоянном освещении СД СС 440 нм, 6,52 мкмоль/(м<sup>2</sup>⋅с)
72,8
-1,1
93,7
+1,2
Проращивание семян при постоянном освещении СД ЗС 525 нм, 1,44 мкмоль/(м<sup>2</sup>⋅с)
72,4
-1,6
94,1
+1,6
Проращивание семян при постоянном освещении СД КС 660 нм, 2,36 мкмоль/(м<sup>2</sup>⋅с)
82,6
+12,2
95,5
+3,1
Применение предложенного способа с предварительной предпосевной обработкой семян нуга  0,001% водным золем гидротермального нанокремнезема в течении 120 минут и использованием светодиодных источников  синего  (СД  СС),  зеленого (СД ЗС) и красного  (СД КС) света с длинами волн 440 нм, 525 нм и 660 нм, соответственно  с низкой интенсивностью при проращивании семян 7 суток при таком непрерывном освещении позволяет повысить урожайность по росткам нуга на 4,7 %, 15,4 %,  3,8 %, соответственно (табл.2).
Во всех вариантах применения способа освещения наблюдается снижение высоты ростков нуга Абиссинского от  5,4 % (для СД ЗС) до 30,0 % (для СД КС) и 33,3 % (для СД СС). При этом эффекте наблюдается как сохранение продуктивности ростков нуга Абиссинского для варианта СД КС, так и существенное увеличение продуктивности на 13,9 % для СД СС и на 19,6 % для варианта СД ЗС (табл.2).
Эти данные позволяют утверждать о возможности управления получением различных биотипов нуга Абиссинского для селекционного получения низкорослых сортов с высокой урожайностью для различных региональных особенностей интродукции новой сельскохозяйственной культуры в России.
Таблица 2. Высота  (см)  и продуктивность ростков  (масса 100 ростков, г) на 7-е сутки проращивания семян нуга (сорт Липчанин)  в опытах и контроле
Вариант опыта
Высота ростков, см
Изменение высоты относительно контроля, %
Продуктивность – масса 100 ростков, г<sup></sup>
Изменение продуктивности относительно контроля, %
Проращивание семян в темноте – контроль
9,3
-
5,40
-
Проращивание семян при постоянном освещении СД СС 440 нм, 6,52 мкмоль/(м<sup>2</sup>⋅с)
6,2
-33,3
6,15
+13,9
Проращивание семян при постоянном освещении СД ЗС 525 нм, 1,44 мкмоль/(м<sup>2</sup>⋅с)
8,8
-5,4
6,46
+19,6
Проращивание семян при постоянном освещении СД КС 660 нм, 2,36 мкмоль/(м<sup>2</sup>⋅с)
6,7
-30,0
5,40
0
Принципиальным моментом для получения пророщенных семян как основы первичной микрозелени являются комбинированные показатели соотношения средней массы ростков к их высоте, обосновывающие запуск первичного фотосинтеза, т.е. переход от гетеротрофного питания за счет внутреннего резерва семян нуга к автотрофному питанию  с использованием фотосинтеза фактически с первых дней появления первых всходов нуга.
2
2
Проведенные расчеты с использованием показателей продуктивности и высоты растений (табл.2 ) показали, что для контроля, опытных вариантов использования монохроматического излучения фотонов светодиодами СД СС, СД ЗС и СД КС с низкой интенсивностью в диапазоне от 1,44  мкМоль/(м⋅с)  до 6,52 мкМоль/(м⋅с)  биомассы ростков к их высоте составил 0,0058,  0,0099,  0,0073  и 0,0081 в единицах г/см, соответственно. Это говорит о наличии фотосинтеза в ростках в отличие от контрольного проращивания в темноте (коэффициент 0,0058) и о повышении соотношения (коэффициента) биомассы к высоте ростков  относительно контроля на   26 % (для СД ЗС), 40 % (для СД КС) и 71 % (для СД СС).
а
b,
Подтверждением этого является наличие в ростках фотосинтетических элементов – хлорофилла  и а также каротиноидов, содержание которых в ростках, полученных предлагаемым способом, приведены в таблице 3.
Запуск фотосинтеза при низкоэнергетическом монохроматическом светодиодном освещении СД СС, СД ЗС и СД КС дает возможность реализации нового пути синтеза биомассы ростков за счет автотрофного питания при истощении гетеротрофного питания к завершению проращивания семян в течении 7 суток и перспективы реализации возможности ускоренного получения микрозелени на 7-е сутки проращивания семян нуга Абиссинского , предварительно обработанных 0,001 %-ным водным золем ГНК.
а
b
Таблица 3. Содержание хлорофиллов  и и каротиноидов в ростках  на 7-е сутки проращивания семян нуга (сорт Липчанин)  в опытах и контроле
Вариант опыта
Хлорофилл а, мкг/мл
Хлорофилл b, мкг/мл
Соотношение  а/b
Каратиноиды мкг/мл
Проращивание семян в темноте – контроль
-
-
-
-
Проращивание семян при постоянном освещении СД СС 440 нм, 6,52 мкмоль/(м<sup>2</sup>⋅с)
4,39
2,08
2,11
1,47
Проращивание семян при постоянном освещении СД ЗС 525 нм, 1,44 мкмоль/(м<sup>2</sup>⋅с)
3,72
1,74
2,14
1,39
Проращивание семян при постоянном освещении СД КС 660 нм, 2,36 мкмоль/(м<sup>2</sup>⋅с)
5,80
2,53
2,29
1,97
а
b,
Близость значений соотношений содержания в ростках хлорофилла  к хлорофиллу  находящееся в диапазоне значений 2,11 – 2,29  для всех испытанных  вариантов предлагаемого способа, говорит о единстве механизма первичного фотосинтеза – действия фотонов низкой интенсивности при монохроматическом облучении семян, семядолей в процессе проращивания нуга Абиссинского.
2
2
2
а
b,
Таким образом, использование предлагаемого способа с применением низкоэнергетического излучения светодиодных светильников СД СС, СД ЗС и СД КС (интенсивности излучения 6,23 мкМоль/(м⋅с),  1,44 мкМоль/(м⋅с),  2,36 мкМоль/(м⋅с), соответственно) при проращивании  нуга Абиссинского позволяет получать пророщенные семена с содержанием биологически активных компонентов – продуктов первичного фотосинтеза: хлорофиллы  и   каратиноиды при сохранении всхожести семян и получить низкорослые биотипы с высокой плотностью биомассы ростков.
Это позволяет получать новый тип пророщенных семян на 7 сутки как микрозелень для здорового питания.