Способ повышения всхожести семян и стрессоустойчивости сеянцев хвойных пород
METHOD FOR INCREASING SEED GERMINATION AND STRESS RESISTANCE OF CONIFEROUS SEEDLINGS

Изобретение относится к области лесного хозяйства, а именно к способам предпосевной обработки семян хвойных пород, и может найти применение при искусственном лесовосстановлении.
Экологическое состояние окружающей среды в условиях меняющегося мирового климата обязывает пересмотреть мировую стратегию природопользования. Наибольший ущерб экологии с отдаленными последствиями наносит повсеместное сокращение лесных массивов (вырубки, пожары). О необходимости скорейшего лесовосстановления отмечено в Постановлении Правительства РФ №1509 от 2020 г. Проблема лесовосстановления обсуждалась на Саммите по климату (Глазго, ноябрь 2021 г.). Для воспроизводства лесных массивов требуются десятилетия, поэтому изучение различных подходов к ускорению выращивания древесных лесных культур особенно актуально.
Основными лесообразующими породами древесных культур являются ель и сосна. Фазой жизненного цикла их семян является состояние длительного покоя. Для ускоренного выведения семян из покоя и ускорения прорастания требуется определенная предпосевная обработка. Описаны различные способы ускорения прорастания семян: обработка холодом - стратификация, применение регуляторов роста, физические методы обработки, включая воздействие различными оптическими излучениями [1-8].
Лесные культуры, особенно после катастрофических пожаров в последние годы, нуждаются в поиске наиболее эффективного стимулирования прорастания семян и роста саженцев. Было показано, что кратковременное (от единиц секунд до десятков минут) воздействие низкоинтенсивного высококогерентного света способно существенно повысить функциональную активность животных и растительных клеток. Для сельского и лесного хозяйства такой неэнергоемкий и экологически чистый регуляторный фактор представляет чрезвычайный интерес. Установлено, что лазерное излучение эффективно повышает всхожесть семян, энергию прорастания, ускоряет развитие корневой системы проростков и их рост [9-11]. Однако механизм биорегуляторного действия когерентного излучения изучен недостаточно и требует дальнейших исследований. Лазерное излучение характеризуется комплексом параметров, и только при оптимальном их сочетании наблюдаются цитогенетические эффекты.
Выбор оптимальных режимов обработки семян растений лазерным излучением является актуальной и достаточно сложной проблемой.
Широко используется для предпосевной обработки семян лазерное излучение красного и ИК диапазона длин волн (600-1000 нм) [2, 6]. Известно использование для предпосевной обработки семян ели европейской непрерывного или импульсного излучения ближнего ультрафиолетового диапазона [3]. Известны способы обработки семян сельскохозяйственных культур, совмещающие с лазерным излучением другие виды излучений [4, 8] или применение регуляторов роста [5]. Известно применение лазерного излучения зеленого цвета с длиной волны 500-530 нм для обработки черенков роз [7].
Наиболее близким к предлагаемому способу повышения всхожести семян и стрессоустойчивости сеянцев хвойных пород является способ предпосевной обработки семян сосны обыкновенной, включающий обработку семян излучением разрядной ртутной лампы высокого давления через светофильтры на расстоянии 20 см в течение 1-40 с. Используют выделяющие ультрафиолетовые и фиолетовые светофильтры и отрезающие бесцветные светофильтры толщиной 1-5 мм (RU 2390117, МПК А01С 1/00, опубл. 27.05.2010 - прототип) [12].
Способ-прототип обеспечивает ускорение роста проростков сосны: превышение длины корешков проростков по сравнению с контролем составляет 40-50%, однако определение всхожести семян показало, что «во всех вариантах всхожесть не хуже контроля, а в некоторых - выше на 5…7%».
Недостатком способа-прототипа является низкая эффективность. Задачей предлагаемого изобретения является разработка высокоэффективного способа повышения всхожести семян и стрессоустойчивости сеянцев хвойных пород при помощи метода лазерного облучения семян.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемым способом повышения всхожести семян и стрессоустойчивости сеянцев хвойных пород путем предпосевной обработки семян излучением оптического диапазона, в котором в качестве излучения оптического диапазона используют излучение импульсного лазера на парах меди, генерирующего одновременно свет двух длин волн: зеленой 510,6 нм и желтой 578,2 нм с суммарной мощностью в импульсе 10 киловатт, частотой повторения 10 кГц и длительностью импульса 15 наносекунд.
Соотношение энергии и мощности между зеленой и желтой линиями излучения составляет 3:1.
Лазерное излучение, характеризующееся строгой монохроматичностью, поглощается определенными компонентами семенной оболочки, эндоспермом и зародышем. Точным подбором свойств луча удается управлять процессами, происходящими в семенах на атомно-молекулярном уровне.
Выбор в предлагаемом изобретении лазерного излучения двух длин волн (зеленой и желтой) обусловлен необходимостью создания условий для реализации их параметрического взаимодействия в среде растительного семени, содержащего органические молекулы аминокислот и белков в виде молекулярных или жидких кристаллов, обладающих аномально высокой оптической восприимчивостью [13, 14]. Взаимодействие в среде семени зеленого и желтого лазерного излучения между собой приводит к образованию дополнительных длин волн: суммарной с длиной волны 262 нм (УФ) и разностной - 4,35 мкм. Воздействие каждой из четырех длин волн в своем спектральном диапазоне (УФ, видимом, и инфракрасном) приводит к инициации, по меньшей мере, четырех, вызванных излучением, биохимических реакций. Это ускоряет прорастание и развитие растительного семени.
Выбор импульсного режима работы лазера обеспечивает высокую эффективность предлагаемого способа, так как биосистемы реагируют на производную, а к постоянному уровню воздействия быстро адаптируются [10, 11].
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
-4
2
4
2
Сухие семена ели обыкновенной (Picea abies) или сосны обыкновенной (Pinus sylvestris) подвергают воздействию излучения импульсного лазера на парах меди, генерирующего одновременно свет двух длин волн: зеленой 510,6 нм и желтой 578,2 нм с суммарной энергией и мощностью в импульсе 3,0-10 Дж и 10 киловатт, соответственно. Длительность импульса излучения 15 наносекунд, частота повторения 10 кГц. Соотношение энергии и мощности между зеленой и желтой линиями излучения равно 3:1. Диаметр пятна излучения на образце составляет 1 см, плотность мощности - 2,0⋅10 Вт/см. Длительность облучения: Опыт 1 - 30 сек; Опыт 2 - 60 сек; Опыт 3 - 90 сек.
Облученные и контрольные семена растений проращивали в лабораторных условиях. Для оценки эффективности предлагаемого способа повышения всхожести семян и стрессоустойчивости сеянцев хвойных пород использовали три вида тестирования:
- тестирование выведения семян из состояния покоя;
- тестирование прорастания семян;
- тестирование развития сеянцев в стрессовых условиях культивирования.
Пример 1. Проверка эффективности предлагаемого способа на семенах ели обыкновенной (Picea abies)
-1
-1
Для фиксации выведения семян ели из состояния покоя нами был выбран спектрофотометрический метод. При увлажнении семян происходит их пробуждение, что сопровождается началом синтеза метаболитов и выходом их в водную среду культивирования. Метаболиты, образующиеся в процессе прорастания семян, имеют характерный спектр поглощения в УФ области спектра с четко выраженным максимумом при ν = 49000 см (λ = 207 нм) и поглощением (плечом) вплоть до ν = 30000 см (λ = 330 нм).
оп.ед.
Тестирование выхода семян из состояния покоя осуществляли следующим образом. Через 60 мин после окончания облучения семена ели помещали в специальные сосуды для отбора проб с целью спектрального анализа изменения водной среды культивирования семян, контрольных и опытных. Через 30 мин после увлажнения и далее в течение 6 часов через определенные интервалы времени проводили отборы проб для анализа на спектрофотометре. Электронные спектры поглощения записывали на Спектрофотометре Specord UV-vis при комнатной температуре в кварцевой кювете 1=1 см. Кюветы сравнения - бидистиллированная вода. Пробы воды и в контроле, и в опытных образцах отбирали через определенные промежутки времени, измеряли оптическую плотность (D) при максимуме поглощения (λ = 207 нм) и пробы вновь возвращали в чашки Петри до следующих измерений.
оп.ед.
h
н.ск.
н.ск.
н.ск.
оп.ед.
2
-2
-2
-2
На рис. 1 представлены кинетические кривые выхода метаболитов во времени (D - t мин) из семян ели в контроле - кривая 1 и в опытном образце №3 (облучение 90 сек.) - кривая 2. Из полученных данных следует, что процесс метаболизма в первые минуты после контакта семян с водой происходит достаточно быстро с начальной скоростью w.ck.=4 10' отн.ед/мин для контрольного образца и с w = 8 10 отн.ед/мин для образца №3 (облучение 90 сек.). В дальнейшем скорость выхода метаболитов уменьшается до значений w =1 10 отн.ед/мин в контроле и w =3 10 отн.ед/мин. Таким образом, величину оптической плотности (D) можно рассматривать как показатель интенсивности жизнедеятельности семян в водной среде в первые часы опыта. Следует отметить высокую наглядность и чувствительность используемого спектрофотометрического метода.
После окончания забора проб для оценки выхода метаболитов в водную среду семена ели контрольные и опытные перекладывали на увлажненные фильтры в чашки Петри. Для тестирования всхожести (прорастания) семян чашки Петри с семенами помещали в темноту в термостат t=+20°С на 7 суток. Через 7 суток вели учет количества живых проросших семян с длиной корня 0,1-0,5 см. В контроле отмечено количество живых семян не более 20%. Наибольший эффект стимуляции прорастания семян ели отмечен при длительности лазерного воздействия 90 сек - 70% (Опыт 3) - см. Таблицу 1.
Для тестирования развития сеянцев ели в стрессовых условиях культивирования живые проросшие семена высаживали в стеклянные культуральные сосуды с притертой крышкой на однократно увлажненный песок. Культуральные сосуды размещали в люминостате: освещенность 130 люкс, ритм освещения свет/темнота = 12/12 час, температура +19 - +20°С. Подращивание сеянцев специально проводили в стрессовых условиях культивирования: почвогрунт - промытый песок, однократное увлажнение - водой, изоляция от окружающей среды. Специально созданные стрессовые условия культивирования позволяют выявить отдаленный эффект влияния однократного облучения сухих семян ели на развитие сеянцев. Тестирование развития сеянцев вели дистанционно - учитывали количество растений с раскрытыми семядолями на 8-е сутки роста на песке, с наличием свободной зеленой хвои на 15-е сутки роста на песке. Полученные результаты приведены в Таблице 1: при подращивании сеянцев на песке к 15 суткам опыта эффект стимулирующего действия также был максимальным в Опыте 3 и составил 70%.
Пример 2. Проверка эффективности предлагаемого способа на семенах сосны обыкновенной (Pinus sylvestris)
Аналогично примеру 1 проводили тестирование выхода семян сосны из состояния покоя. Измерение оптической плотности водной среды культивирования семян, контрольных и опытных, в максимуме поглощения метаболитов ((λ = 207 нм) в течение 120 мин через определенные промежутки времени показало значительное увеличение концентрации метаболитов в растворах опытной группы семян.
Тестирование всхожести семян сосны показало, что эффект стимуляции прорастания семян начал проявляться уже на 3 сутки, тогда как в Контроле проросших семян отмечено не было. На 7 сутки проросших семян сосны в Контроле было 20%. Наилучший результат отмечен в Опыте 2 - а именно 65% проросших семян сосны. На 8 сутки оценивали количество семян с длиною корня ≥ 1 см - в Контроле таких семян было 5%, в Опыте 2 -60% (см. Таблицу 2).
При выращивании сеянцев сосны из контрольных и облученных лазером семян на песке в стрессовых условиях изоляции от окружающей среды в замкнутом объеме на 8 сутки отмечено, что наиболее высокие (высота 4 см и выше) сеянцы сосны были в Опыте 2 (время облучения 60 с). В Контроле определено лишь 20% таких сеянцев, в Опыте 2 их было 50%. Полученные данные представлены в Таблице 2.
Таким образом, высокая эффективность предлагаемого способа подтверждается экспериментальными фактами. Вывод семян из состояния покоя фиксируется уже через 1,5 часа после лазерного воздействия, о чем свидетельствуют спектрофотометрически определяемые скорости выхода метаболитов в водную среду культивирования опытных образцов по сравнению с контролем. Предлагаемый способ позволяет ускорить процесс прорастания семян и повысить процент всхожести семян - от 15 до 50%. Развитие опытных сеянцев при подращивании их в стрессовых условиях показало, что предпосевная обработка семян ели и сосны по предлагаемому способу способствует функциональным изменениям в семенах, приводящим к повышению устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды.
Литература
1. База данных «Повышение посевных качеств семян основных лесообразующих пород ультрафиолетовым облучением», RU 2020620451, 11.03.2020.
2. Патент РФ №2090031, МПК А01С 1/00, опубл. 20.09.1997.
3. Патент РФ №2308180, МПК А01С 1/00, A01G 7/00, опубл. 20.10.2007.
4. Патент РФ №2134944, МПК А01С 1/00, опубл. 27.08.1999.
5. Патент РФ №2642862, МПК A01N 25/02, опубл. 29.01.2018.
6. Патент РФ №2286037, МПК А01С 1/00, опубл. 27.10.2006.
7. Патент РФ №2171028, МПК A01G 7/04, опубл. 27.07.2001.
8. Патент РФ №2433584, МПК А01С 1/00, опубл. 20.11.2011.
9. Буклагин Д.С., Голубев И.Г., Мишуров Н.П. «Применение лазерных технологий в сельском хозяйстве и перерабатывающей промышленности»: аналит. обзор. - М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2020, 60 с.
10. Будаговский А.В. «Лазерные технологии в сельском хозяйстве». М.: Техносфера, 2008,272 с.
11. Навроцкая Л.В., Загинайлов В.И., Навроцкая СР. «Воздействие лазерного облучения на семена сельскохозяйственных культур». Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве. 2018, с. 74-79.
12. Патент РФ №2390117, МПК А01С 1/00, опубл. 27.05.2010 - прототип.
13. Л.Г. Коренева, В.Ф. Золин, Б.Л. Давыдов. Нелинейная оптика молекулярных кристаллов. Москва. Наука. 1985.
14. Б.Я. Зельдович, Н.В. Табирян. Взаимодействие лазерного излучения с жидкими кристаллами. Межвузовский сборник научных трудов. Вып.2. С. 5-54 (1982). Издательство Ереванского университета, г. Ереван.