Способ активации проращивания семян редиса при импульсном освещении
METHOD OF ACTIVATION OF RADISHES SEEDS SPROUTING DURING PULSED ILLUMINATION

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности, к растениеводству, и может найти применение в селекции при отборе перспективных генотипов растений отзывчивых на искусственное светодиодное освещение в импульсном режиме с использованием агробиотехносистем, в агробиофотонике и в технологиях получения пророщенного редиса и его микрозелени для здорового питания.
В России введен государственный стандарт определения всхожести семян сельскохозяйственных растений, где рассматриваются условия проращивания семян, как правило, в темноте с учетом факторов температуры и времени для оценки энергии прорастания и всхожести семян (ГОСТ 12038-84. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести. - М. Стандартинформ, 2011). Для семян, отзывчивых при проращивании к свету, рассматривается в стандарте только естественное освещение. В соответствии с указанным ГОСТ, для семян редиса определение энергии прорастания и всхожесть регламентировано определение при проращивании в темноте на 3 и 6-е сутки, соответственно.
Стандарты для проращивания семян при искусственном освещении на данный момент не существуют. Для каждого растения конкретно исследуются вопросы влияния искусственного освещения в различных его составляющих по спектрам электромагнитного излучения, интенсивности и времени воздействия на разных этапах вегетации и фотосинтеза при разработке элементов технологий для защищенного грунта (патент № 2601055, опубл. 27.10.2014, Бюл.№30, МПК А01С1/00, А01С1/02).
В последние 20 лет активно в практику сельскохозяйственной науки и биотехнологии 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 агробиотехносистем – 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).
Как утверждают некоторые авторы, при искусственном выращивании растений в замкнутых агробиотехносистемах с использованием светокультуры, регулирование параметров освещения приобретает особую значимость (Тихомиров, А.А. Светокультура растений. Биофизические и биотехнологические основы. Учебное пособие./А.А. Тихомиров, В.П. Шарупич, Г.М. Лисовский. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. – 213 с.).
Исследования временных характеристик различных стадий фотосинтетического процесса показали, что реакционные центры способны поглощать и запасать энергию от импульсов света длительностью порядка 100 мкс, поэтому было предложено изучить возможность использования импульсного освещения для растений. Однако влияние импульсного света мало изучено, он может оказывать как стимулирующее, так и угнетающее действие в зависимости от режимов облучения.
Применение светодиодных источников света в светокультуре растений дает возможность, наряду с длительным постоянным облучением растений, использовать импульсный режим облучения. Вместе с тем, характер воздействия импульсов на фотосинтетический аппарат, ростовые процессы в различных временных интервалах остается во многом не исследованным. Имеются только немногочисленные работы по изучению действия импульсного облучения на растения.
Импульсный характер облучения растений в работах Коноваловой И.О. с соавторами оказывал как стимулирующее, так и угнетающее действие на накопление сухой массы посева салата, в зависимости от уровня усредненной по времени интенсивности светового потока, который за время освещения растений представляет собой чередующиеся импульсы потока фотонов с следующими за ними периодами темноты. При значениях усредненной по времени интенсивности фотонов, не превышающих 400 мкмоль/(м2с), импульсный свет ингибировал рост растений по сравнению с непрерывным излучением, особенно при удлинении периода следования импульсов (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., Трофимов Ю.В., Цвирко В.И. Оптимизация светодиодной системы освещения витаминной космической оранжереи // Авиакосм. и экол. мед. – 2016. – Т. 50, № 3. – С. 17-22).
В настоящее время не существует общих решений по использованию импульсных режимов светодиодного освещения с использованием фитоламп для растительных культур в фазе автотрофного питания растений за счет фотосинтеза, не говоря о первичной фазе проращивания семян и формирования ростков с определенными показателями качества – как основы последующего развития растения.
Вопрос о влиянии импульсного режима искусственного освещения света на прорастание семян при первичном гетеротрофном питании за счет резерва питательных веществ в семенах практически не изучен в научном плане, не говоря о технических решениях применительно к конкретным биологическим и сельскохозяйственным объектам растениеводства.
Наиболее близким к предлагаемому решению является исследование Донга С. с соавторами, которые, исследуя воздействие импульсного освещения с миллисекундным периодом на фотосинтетические характеристики и продукционный процесс растений пшеницы, получили некоторое снижение урожайности при коэффициенте заполнения периода выращивания импульсами света 50%. При коэффициентах заполнения 70 и 80% урожайность посевов достоверно не отличалась от контроля. Авторы исследования считают принципиально возможным снижение затрат электроэнергии на освещение посевов за счѐт использования импульсного освещения (Dong C., Shao L., Liu G. et al. Photosynthetic characteristics, antioxidant capacity and biomass yield of wheat exposed to intermittent light irradiation with millisecond-scale period // Journal of plat physiology. – 2015. – Vol. 184. – P. 28-36.).
Однако авторы предполагают использование импульсного освещения в режиме миллисекундного диапазона формирования потока фотонов и темноты с определенной скважностью для устранения эффекта негативного воздействия света на продукционные характеристики в период фотосинтеза только для растительной культуры пшеницы. Вопрос о воздействии освещения в импульсном (прерывистом) режиме на стадии проращивания пшеницы до появления микрозелени авторами не рассматривается.
Эта отличительная характеристика всех малочисленных работ по изучению импульсных режимов светодиодного освещения на продукционный процесс конкретных растений, поскольку генетический фактор является основным фильтром по проявлению эффектов стимулирования или ингибирования жизненных процессов при фотосинтезе в этих условиях автотрофного питания.
Более близкие прототипы по техническим решениям по влиянию импульсных режимов потока фотонов, генерируемых светодиодными излучателями на семена растений, начиная с первичной фазы развития растений – проращивания, отсутствуют.
Технический результат - установление режима импульсного светодиодного освещения для увеличения продуктивности и качества растений в фазе проращивания семян и до начала истинного фотосинтеза.
2
Техническое решение заявленного объекта отличается от прототипа тем, что в отличие от него, увлажненные семена освещают светодиодами при интенсивности генерируемых фотонов в 140 мкмоль/м с количественной характеристикой светового потока по составляющих его длинам волн: ультрафиолет 380 нм-1,5%, красный 640 нм - 61,5%, синий 440 нм - 23,8%, зеленый 520-530 нм -6%, красный 640 нм - 61,6%, дальний красный 740 нм - 7,2%, причем освещение реализуют в импульсном (прерывистом) режиме в соотношении периодов свет/темнота равным 1 секунда /3 секунды на протяжении полного цикла проращивания и далее до 14 дней с получением микрозелени.
Способ осуществляют следующим образом:
Пример. Исследования проводили с использованием экспериментального образца агробиотехносистемы с цифровым программным управлением основными параметрами среды (модель 1.01. конструкции АНО «Институт стратегий развития»). В качестве объекта исследований взята сельскохозяйственная культура редиса сорта «Юбилейный». Проращивание семян редиса проводили в чашках Петри согласно ГОСТ 12038-84 с изменениями – использовалась подложка из минеральной ваты фирмы «Агрос». Количество семян - по 25 шт. в чашке Петри, повторность трехкратная. Температура 23-240 С. Интенсивность освещения на уровне поверхности семян в период действия импульса 140 мкмоль/м2с, освещение круглосуточное 24 ч в сутки.
Использовали следующие режимы импульсного светодиодного облучения 1 с / 3 с (длительность импульса 1 секунда, пауза – период следования темноты 3 секунды) и 1 мс / 3 мс (длительность импульса 1 миллисекунда, пауза – период следования темноты 3 миллисекунды). Контроль – проращивание в темноте.
Характеристики полихромного спектра светодиодного светильника в эксперименте: ультрафиолет 380 нм - 1,5%, синий 440 нм - 23,8%, зеленый 520-530 нм - 6%, красный 640 нм - 61,5%, дальний красный 740 нм - 7,2%.
В соответствии с указанным ГОСТ, энергию прорастания семян редиса определяли на 3 сутки, всхожесть – на 6-е сутки. Далее вели проращивание до 14 суток относительно посева семян с определением биомассы 100 ростков, высоты и антиоксидантной активности проростков относительно контроля (пророщенные семена в темноте) и содержание в них хлорофилла и каротиноидов. Определение суммарной антиоксидантной активности образцов в граммах рутина на 100 грамм сухих образцов (с.о.) проводили в соответствии с МВИ- 01- 00669068 - 13 (Суммарная антиоксидантная активность. Методика выполнения измерений на кулонометрическом анализаторе. ВНИИ овощеводства. Верея Московской обл., 2013) а определение фотосинтетических пигментов ростков проводили спектрофотометрическим методом по РД 52.24.784-2013 и ГОСТ 17.1.4.02-90.
В течение всего эксперимента проводили увлажнение подложки (минеральной ваты) дистиллированной водой.
Полученные результаты испытаний способа приведены в таблицах 1-3.
Таблица 1. Энергия прорастания и всхожесть семян редиса сорта «Юбилейный» при импульсном освещении светодиодным источником.
Условия проращивания
Энергия прорастания, %
Изменение энергии прорастания относительно контроля, %
Всхожесть, %
Изменение всхожести относительно контроля, %
Контроль - проращивание в темноте,
70,7
-
71,8
-
Энергия прорастания и всхожесть семян при импульсном освещении в режиме 1с/3с незначительно (в пределах погрешности измерений) отличались от контроля (проращивание в темноте) на 1,4 и 1,1 %, соответственно. При проращивании в режиме импульсного освещения 1мс/3мс наблюдалось снижение энергии и всхожести семян редиса на 13,6 и 12,1 %, соответственно, что говорит о негативном влиянии этого режима освещения при уменьшении времени вспышки при той же интенсивности потока фотонов в 140 мкмоль/м2с и скважности (соотношения времени вспышки и времени темноты).
Таблица 2. Показатели роста и биомассы ростков редиса сорта «Юбилейный» и их суммарная антиоксидантная активность (САОА г рутина /100 г с.о.) при проращивании семян в условиях импульсного полихромного светодиодного освещения в режиме 1с/3с.
Параметр качества
Контроль (темнота)
Импульсное освещение в режиме 1с/3 с
Изменение показателя качества относительно контроля, %
Высота растений, см
10
12,2
22,0
Сырая биомасса 100 ростков, г
174,2
251,4
44,3
САОА г Ru / 100 г с.о. ростков
2,7
3,6
33,3
Использование светодиодного освещения в импульсном варианте освещения 1с/3с дает прибавку высоты ростков семян редиса на 22,0 % и увеличение биомассы на 44,3 % относительно контроля. При этом пророщенные ростки из семян редиса приобретают новое качество по содержанию в них веществ антирадикальной направленности (суммарная антиоксидантная активность) – способности гашения свободных радикалов. Увеличение этого показателя в ростках редиса, полученных предлагаемым способом, составило 33,3 % относительно контроля.
Также, предлагаемый способ, в отличие от контроля, позволяет получать ростки пророщенных семян или микрозелень с содержанием фотосинтетических пигментов, обладающих биологически активным действием и представляющих биологическую ценность при использовании в диетическом и профилактическом питании. Это продукты фотосинтеза – хлорофиллы а и в,
а также пигменты – провитамин группы А – каротиноиды (таблица 3). При проращивании в темноте фотосинтетические пигменты не образуются.
Таблица 3. Содержание фотосинтетических пигментов при проращивании семян редиса в условиях импульсного полихромного облучения в режиме 1с/3с
Содержание фотосинтетических пигментов, мг/г
Хлорофилл а
Хлорофилл в
Хлорофиллы а+в
Соотношение хлорофиллов а/в
Каротиноиды
5,69
1,30
6,99
4,38
1,74
Полученные данные позволяют заключить, что проведение проращивания семян редиса предлагаемым способом при использовании импульсного освещения предложенного режима светодиодами полихромного спектра в климатической камере позволяет получать проростки и микрозелень с повышенной биологической ценностью.
Это может найти применение в селекционных работах, семеноводстве по отбору высокопродуктивных форм, отзывчивых на избирательное действие освещения как для фотосинтеза, так и интенсификации процессов гетеротрофного питания при проращивании семян и при разработке новых технологий получения проростков светокультур и технологий получения их микрозелени для здорового питания.