Способ активации проращивания семян сахарной свеклы
METHOD FOR ACTIVATING THE GERMINATION OF SUGAR BEET SEEDS

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности, к растениеводству, может найти применение для повышения всхожести семян, в селекции с использованием агробиотехносистем с искусственным освещением и расширении области применения гидротермального нанокремнезема в технологиях получения пророщенных семян сахарной свеклы и получения ее микрозелени.
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. В 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 решения 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 и дает техническое решение вопросов интенсификации роста растений салатной культуры только в фазе технической зрелости.
2
2
Известен способ фотостимуляции растений в теплице путем облучения растений в ультрафиолетовом диапазоне УФ-В длин волн в течении всего времени вегетации и разовыми дозами облучения 3-25 Вт/м в пределах 50-120 Дж/м в течении 3-20 сек с периодичностью 1 раз в 1-4 суток. При этом авторы делают акцент на снижение числа микроорганизмов в теплице, и на поверхности растений  при таких режимах с минимальным негативным воздействием на инициирование окислительных процессов  сказывающихся на продуктивности растений (патент № 2674599, опубликован 11.12.2018 Бюл.№35. МПК А01G7/04, А01G9/20)
Авторы не рассматривают вопросы первичного этапа проращивания семян растений, а предложенный диапазон жесткого УФ спектра, средние уровни интенсивности и временные диапазоны с кратностью запуска светового излучения рассматривают как воздействие на микрофлору растений для обеззараживания, что и является одним из факторов улучшения выращивания в теплице.
Также известна система искусственного фитоосвещения, которая позволяет использовать светодиодный светильник с реализацией его возможностей использования спектров излучения синего, красного, дальнего красного света в соотношении 1:3:1 (патент № 2723725, опубликован 17.06.2020 Бюл.№17. МПК А01G9/20, A01G 7/04, F21S 2/00).
Авторы за счет набора светодиодов с реализацией максимальных интенсивностей и возможностей использования конкретного набора светодиодов широкого диапазона излучения предлагают унификацию своей системы освещения для широкого ряда растительных культур в теплицах. При этом, авторы не учитывают особенности специфичности первичного отклика генома разных растений на спектры освещения и интенсивности пучков фотонов первой стадии проращивания до начала истинного фотосинтеза после формирования истинных первых 4-х листьев растений. Число вариаций реализации таких систем освещения при определении оптимума для конкретного растения составляет огромное количество,  и ориентация на спектры поглощения света для фотосинтеза может оказаться малоприемлимым на стадии проращивания и формирования первичных всходов в виде микрозелени.
Известно, что влияние света на этапе прорастания семян мало связано с интенсивностью фотосинтеза, т.к. фотосинтетический аппарат – листья растений, еще не сформированы. Вопрос об использовании вышеперечисленных подходов реализации искусственного освещения, например, для технической культуры сахарной свеклы остается открытым.
Близким к предлагаемому решению является исследование в ВНИИ лекарственных и ароматических растений при рассмотрении фактора освещения при проращивании семян лекарственных растений с длительным периодом покоя, что снижает эффективность их применения в лекарственном растениеводстве из-за низкой всхожести, как лабораторной, так и полевой. Авторы работы используют полные спектры излучателей красного и синего света,  при проращивании семян паслена и белладонны (Н.Ю. Свистунова, П.С. Савин. Влияние различных условий на всхожесть семян некоторых лекарственных растений после длительного хранения / Идеи Н. И. Вавилова в современном мире:тезисы докладов в IV Вавиловской международной конференции. - Санкт-Петербург, 20–24 ноября 2017 г. СПб.: ВИР, 2017, с.149).
В известном способе авторы применяют спектры синего и красного освещения широкого диапазона и высокой энергетической составляющей генерируемых пучков фотонов. Наиболее эффективным для реализации проращивания семян лекарственных растений белладонны и паслена оказался вариант с красным освещением семян при проращивании. Однако авторы не указывают интенсивности освещения и точных длин волн красного и синего света, что является существенным для практической реализации способа в технологиях проращивания для других сельскохозяйственных культур. Это не позволяет применить приведенные данные авторов, например, для сельскохозяйственной культуры сахарной свеклы при  проращивании ее семян.
Наиболее близким к предлагаемому решению является патент Японии (JP 3198211 U, 18.06.2015). Авторы работы - прототипа используют светодиодные излучатели синего и зеленого света высокой энергетической составляющей генерируемых широкополосных пучков фотонов по длинам волн для выращивания растений, что не позволяет использовать эти данные для низкоэнергетических режимов светодиодного освещения сахарной свеклы при проращивании ее семян до получения первичной микрозелени.
Технический результат
- расширение возможностей использования светодиодного освещения синего и зеленого света в вариантах монохроматического излучения низкой интенсивности в комбинации с предпосевной обработкой семян гидротермальным нанокремнеземом для селекции новых биотипов растения и повышения всхожести семян сахарной свеклы, продуктивности ее ростков при 10-суточном проращивании и получения первичной микрозелени.
Техническое решение
2
заявленного объекта заключается в том, что в отличие от прототипа семена сахарной свеклы обрабатывают 120 минут рабочим раствором водного золя гидротермального нанокремнезема с концентрацией наночастиц 0,001% с последующим посевом и 10-суточным проращиванием при комнатной температуре и увлажнением семян с применением в качестве источников света монохроматического непрерывного освещения светодиодами синего света с длиной волны 440 нм или зеленого света с длиной волны 525 нм, при генерации фотонов низкой интенсивности в диапазоне 6,52 – 1,44 мкмоль/м⋅с на уровне подложки с семенами и получении первичной микрозелени.
Способ осуществляют следующим образом.
Для экспериментальной проверки способа для сельскохозяйственной технической культуры сахарной свеклы использовали сорт Смена F1. 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 сахарной свеклы использовали гидротермальный нанокремнезем (ГНК), полученный очисткой от примесей термальной природной воды Мутновского месторождения в ООО НПФ «Наносилика» (г. Петропавловск-Камчатский) и концентрированием наночастиц кремнезема ультрафильтрацией. Используемый в испытаниях исходный золь нанокремнезема характеризовался исходной концентрацией по кремнезему 2,5%, полидисперсностью составляющих его наночастиц с преобладанием  размеров 10-20 нм.  Исходный золь 2,5% ГНК разводили дистиллированной водой (из расчета 1 мл исходного золя на 2500 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
ПРИМЕР. Проращивание семян сахарной свеклы осуществляли в соответствии с ГОСТ 22617.2-94 («Семена сахарной свеклы. Методы определения всхожести, одноростковости и доброкачественности») с модификацией методики, а именно: вместо фильтровальной бумаги использовали подложку из минеральной ваты в виде пластин 20*20 см (400 см). Количество семян 2,0 г, повторность трехкратная.  Полив проводили дистиллированной водой по мере подсыхания подложки. В качестве контроля   использовали проращивание в темноте. Семена сахарной свеклы перед проращиванием 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)  или зеленого (СД ЗС) или  красного  (СД КС)  света с длинами волн 440 нм, 525 нм или  660 нм, соответственно и  с  интенсивностью 6,52  мкмоль / м⋅с, 1,44 мкмоль / м⋅с  и 2,36 мкмоль / м⋅с на уровне подложки с семенами..
На 4-й день определяли энергию прорастания, а на 10-й день определяли всхожесть семян в опытных и контрольном вариантах и измеряли высоту ростков на 6-й и 10-й дни, их продуктивность (средняя масса 100 ростков) на 10-й день в 3-х повторностях.  Определяли среднее арифметическое по энергии прорастания, всхожести, высоты и продуктивности ростков сахарной свеклы.
Результаты испытаний реализации способа приведены в таблицах 1 и 2.
Применение предложенного способа, с использованием светодиодных источников синего (СД СС),  зеленого (СД ЗС) и красного  (СД КС) света с длинами волн 440 нм, 525 нм и 660 нм и низкой интенсивностью при проращивании семян 6 суток при монохроматическом непрерывном освещении ведет к снижению энергии проращивания и всхожести относительно контроля для СД КС на 11,1% и 31,4%, соответственно.  Для вариантов освещения СД СС и СД ЗС наблюдается увеличение на 20,4% и 1,9% энергии прорастания, соответственно. Для этих же вариантов наблюдается увеличение всхожести семян на 5,8% и незначительное уменьшение всхожести на 1,2%, соответственно для СД СС и СД ЗС (таблица 1).
Таблица 1. Энергия прорастания (4-и сутки) и всхожесть (10-е сутки) семян сахарной свеклы сорта Смена F1 после их обработки 0,001 % золем ГНК.
Вариант опыта
Энергия, %
Изменение энергии относит. контроля, %
Всхожесть%
Изменение всхожести относит. контроля, %
Проращивание семян в темноте – контроль
54
-
86
-
Проращивание семян при постоянном освещении СД СС 440 нм, 6,52 мкмоль / м<sup>2</sup> с
65
<b> +20,4</b>
91
<b>+ 5,8</b>
Проращивание семян при постоянном освещении СД ЗС 525 нм, 1,44 мкмоль / м<sup>2</sup> с
55
+ 1,9
85
- 1,2
Проращивание семян при постоянном освещении СД КС 660 нм, 2,36 мкмоль / м<sup>2</sup> с
48
- 11,1
59
- 31,4
Только в варианте СД КС при испытаниях предложенного способа наблюдается существенное снижение как высоты ростков на 56,1% (на 6-е сутки) и на 67,0 % (на 10-е сутки) при снижении продуктивности биомассы ростков на 48,7 % относительно контроля (табл. 2).
Для вариантов испытания способа СД СС наблюдается отсутствие изменений по высоте ростков на 6-е сутки проращивания и снижение высоты на 23,9% на 10-е сутки при повышении продуктивности на 27,1% в сравнении с контролем (табл.2). Эти данные говорят о возможности формировании низкорослых биотипов ростков и микрозелени   сахарной свеклы в этом варианте освещения при повышении их продуктивности. Для СД ЗС наблюдается существенное увеличение продуктивности (прирост биомассы на 27,5%) на 10-е сутки проращивания при повышении высоты ростков на 25,8% на 6-е сутки проращивания и при уменьшении высоты ростков на 4,5% (по отношению к контролю) при продолжении проращивания с семян до 10-ти суток (табл. 2). Это позволяет получать пророщенные семена сахарной свеклы с повышенной биологической активностью относительно контроля с повышением продуктивности  при формировании первичной микрозелени на 10-е сутки с использованием  гетеротрофного питания за счет семенного запаса питательных веществ и активации процессов проращивания монохроматическим излучением фотонов низкой интенсивности светодиодными источниками с запуском более эффективного первичного фитосинтеза после обработки семян 0,001 %-ным водным золем ГНК.
Таблица 2. Высота (см) растений на 6-е и 10-е сутки и продуктивность ростков  (масса 100 ростков, г) на 10-е сутки проращивания семян сахарной свеклы  (сорт Смена F1)  после их обработки 0,001%-ным водным золем ГНК
Вариант опыта
Высота ростков, см на 6-е сутки
Изменение высоты к контролю, %
Высота ростков на 10-е сутки, см
Изменение высоты к контролю, %
масса 100 ростков, г<sup></sup>
Изменение массы ростка к контролю, %
Проращивание семян в темноте
6,6
-
8,8
-
5,05
-
Проращивание семян при постоянном освещении СД СС 440 нм,6,52 мкмоль / м<sup>2</sup> с
6,6
0
6,7
- 23,9
<b>6,42</b>
<b>+ 27,1</b>
Проращивание семян при постоянном освещении СД ЗС 525 нм,1,44 мкмоль / м<sup>2</sup> с
<b>8,3</b>
<b>+ 25,8</b>
8,4
- 4,5
<b>6,44</b>
<b>+ 27,5</b>
Проращивание семян при постоянном освещении СД КС 660 нм,2,36 мкмоль / м<sup>2</sup> с
2,9
- 56,1
2,9
- 67,0
2,59
- 48,7
2
2
Таким образом, использование предлагаемого способа с применением низкоэнергетического излучения монохроматического светодиодного светильника СД СС  440 нм  (интенсивности излучения 6,52 мкмоль / м с) и варианта СД ЗС 525 нм (интенсивности излучения 1,44 мкмоль / м с) после обработки 120 минут семян 0,001%-ным водным золем гидротермального нанокремнезема позволяет получать пророщенные семена сахарной свеклы в форме первичной микрозелени с содержанием фотосинтетических биологически активных компонентов – продуктов гетеротрофного питания ростков и первичного фотосинтеза уже на 10  сутки для здорового питания, а также использовать этот способ для получения новых биотипов растения сахарной свеклы для селекции.