Способ определения чувствительности растений к факторам внешней среды
METHOD FOR DETERMINING SENSITIVITY OF PLANTS TO ENVIRONMENTAL FACTORS

Изобретение относится к области сельского хозяйства, к общей ботанике, к способам выращивания растений с применением облучения и может быть использовано при выращивании растений в теплицах и других культивационных сооружениях. Изобретение может быть использовано как для оценки отклика растений к абиотическим (в том числе световым) факторам внешней среды, так и для оценки возможности выращивания растений при данном сочетании факторов.
Чувствительностью называется способность обьекта (растения) реагировать определенным образом на определенное воздействие, формировать определенный отклик, а так же количественная характеристика этой способности. Выявление отклика растений на условия их выращивания является актуальным практическим вопросом, поскольку в светокультуре, при выращивании растений в искусственных условиях, параметры воздействующих факторов могут быть оптимизированы.
К факторам внешней среды, влияющих на жизнедеятельность растений, относят: свет, тепло, полив, элементы минерального питания, воздух. Важнейшей группой являются факторы световой среды (облученность, фотопериод, спектр), чуствительность к которым у растений велика.
В исследованиях по светокультуре, проводимых с целью оптимизации совокупности факторов внешней среды, действующих на растения в процессе их роста и развития, важным является выбор подлежащих измерению биометрических показателей, изменение которых под влиянием исследуемых факторов наиболее полно характеризует вклад каждого фактора и их совокупности на растения.
Светокультура обеспечивает создание экологичных и качественных, в том числе функциональных, продуктов питания  и продуктов лечебного назначения в неблагоприятных климатических условиях. В современной интенсивной светокультуре определение чувствительности к факторам внешней среды необходимо для обоснованного выбора применяемых источников света, обеспечивающих оптимальные световые условия, для достижения технологической и экономической эффективности производства при соблюдении требований к экологичности продукции.
Из уровня техники известен способ определения чувствительности растений
, при котором их выращивание производят в регулируемых условиях световой среды, реакцию растения определяют по показателю роста и развития растений – обьему семядолей  [Примак А.П., Шелепова В.М., Шманаева Т.Н. Способ определения степени светотребовательности растений томата. А.с. №784839, МПК А 01Н 1/04, 1979. Недостатки известного способа – невысокая точность, длительность и неудобство проведения измерений геометрических размеров семядолей. Кроме того, выбранный показатель в недостаточной степени характеризует процесс развития растения в онтогенезе, что снижает надежность определения реакции растения.
Известен способ определения чувствительности растений
к негативным факторам, заключающийся в том, что растения выращивают в контрольной и опытной группах; действуют исследуемым фактором на растения опытной группы; определяют значения выбранного показателя у растений обоих групп; о реакции растений на негативные факторы судят по величине отношения значений выбранного показателя у растений контрольной и опытной групп [Шарошкин Н.М., Афанасьев М.Н. Способ определения реакции растений на негативные факторы питательной среды. Патент РФ №2078496, А01G 7|00, 1994].
Недостатком известного способа является выбор в качестве показателя величины суммарного водопоглощения сразу всей группы растений. Это не позволяет оценить статистическую достоверность различий для растений контрольной и опытной групп.
Известна возможность
оценки функционального состояния растений, выращиваемых под воздействием факторов внешней среды, основанная на регистрации оптических свойств листьев растений на определенных длинах волн. О функциональном состянии растений судят по различиям оптических параметров у опытных и контрольных растений [Мерзляк М.Н. и др. Использование спектроскопии отражения в анализе пигментов высших растений // Физиология растений.- 2003.-Т.50.- С.785-792].
Известен способ оценки чувствительности растений
к факторам световой среды по изменению их морфофизиологического признака, определяемого по величине оптической плотности листьев в отдельных спектральных диапазонах [Ракутько С.А., Ракутько Е.Н.  Способ оценки действия оптического излучения на растения по стабильности их развития. Пат. РФ №2724546, А 01 Н 1|04, 2019]. Недостатком известного технического решение является отсутствие учета степени вариативности признака, по которому оценивают действие оптического излучения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является выбранный в качестве прототипа способ оценки действия оптического излучения на растения по стабильности их развития
среды (Бородюк Н.Р., Шарков Г.А. Способ определения чувствительности растений к факторам внешней среды. А.с. №1722313. Заявл. 02.02.89, опубл. в БИ №12 30.03.92), заключающийся в том, что в основных измерениях формируют контрольную и опытную группы растений, действуют исследуемым фактором на растения опытной группы, о чувствительность растений к исследуемому фактору судят, сравнивая  абсолютные (средние) значения выбранного показателя у растений контрольной и опытной групп.
Недостатками известного способа являются то, что в качестве показателя реакции (отклика) растения используют величину константы ингибирования. Для ее определения необходимо проведение трудоемкого химического анализа с применением достаточно сложных технических средств и химических реактивов, что усложняет и удорожает процесс определения. Кроме того, простое сравнение средних значений не позволяет сделать вывод о достоверности различий, так как не предусмотрено использование статистических критериев.
Техническая задача изобретения
– обоснованный выбор показателя, обеспечивающего максимальную точность и надежность определения чувствительности растений к факторам внешней среды.
Технический результат – повышение удобства измерений, обеспечение их точности и надежности.
Технический результат достигается тем, что в способе определения чувствительности растений к факторам внешней среды, заключающемся в том, что в основных измерениях формируют контрольную и опытную группы растений, действуют исследуемым фактором на растения опытной группы, о чувствительности растений к исследуемому фактору судят, сравнивая значения выбранного показателя у растений контрольной и опытной групп, дополнительно в предварительных измерениях задают сочетания факторов внешней среды, действуют на растения сочетаниями факторов, определяют значения показателей оптических свойств листьев растений в синем, зеленом и красном участках спектра, определяют коэффициенты вариации измеренных и найденного от них производного показателя – отношения оптических плотностей листьев в красном и зеленом диапазонах, сохраняют полученные результаты в базе данных на машиночитаемом носителе, в основных измерениях для области сочетания факторов, в которой производится определение чувствительности растений, формируют контрольную и опытную группы растений, при этом дополнительно на растения опытной группы действуют фактором, чувствительность к которому предстоит выявить, производят выбор наиболее близкого набора факторов и показателя для выявления чувствительности растений с наименьшим значением коэффициента вариации со степенью отклонения не более 20% из полученной базы данных, численно чувствительность растений к исследуемому фактору определяют как отношение изменения выбранного показателя к изменению величины этого фактора.
Заявляемое техническое решение относится к способу, т.е. является процессом осуществления действий над материальным объектом с помощью материальных средств. Объектом выступают экземпляры растений, выращиваемые  в условиях светокультуры. Действиями являются процедуры по обеспечению условий выращивания растений, измерению параметров внешней среды, производству выборок из массива растений, лабораторных исследований их показателей. Материальными средствами являются технологическое и светотехническое оборудование, лабораторные и измерительные приборы.
В изобретении используется неизвестный ранее эффект – различная вариативность измеренных оптических свойств листьев и найденного производного показателя. Использование этого нового эффекта, исследованного нами в лабораторных условиях, позволяет произвести определение чувствительности растений к факторам внешней среды [Ракутько С.А., Ракутько Е.Н., Мишанов А.П. Влияние параметров световой среды на содержание хлорофилла в листьях рассады томата и их оптические свойства. Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2020. № 3 (60). С. 67-74; Ракутько С.А., Мишанов А.П., Ракутько Е.Н., Маркова А.Е. Дисперсионный анализ биометрических показателей и содержания хлорофилла в листьях рассады томата, выращиваемой в различных условиях световой среды. Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2020. № 2 (103). С. 30-44].
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1
а фиг.2
n
E
ФП
К
2
показано сравнение коэффициентов вариации  и  для двух случаев измерения показателей со средними значениями  и , имеющими среднеквадратичные отклонения  и ; н показан фрагмент формируемой на машиночитаемом носитете базы данных. Для записи номер  показаны значения факторов облученности , Вт/м; фотопериода , ч. и доли дальнекрасного излучения в общем потоке , %.
D
D
D
/
B
G
R
фиг. 3
Для этих же сочетаний факторов показаны найденные в предварительных измерениях значения коэффициентов вариации показателей оптической плотности листьев в синем, зеленом  и красном  диапазонах, а так же показатель отношения оптических плотностей в красном и зеленом диапазонах. Выделены значения коэффициентов вариации, минимальные для данной записи; на  показана типичная зависимость чувствительности растения по показателю  к фактору . Растения подчиняются действию закона оптимума, согласно которому любой экологический фактор имеет пределы положительного влияния на живые организмы. Это определяет наличие экстремума (минимума или максимума), а так же наличие восходящих и нисходящих участков на кривой чувствительности. Точки 1 и 2 соответствуют величинам фактора  и, при которых наблюдаются значения показателя  и  соответственно. Точка 3 соответствует оптимальному значению фактора , при котором наблюдается максимальное значение показателя .
В основе изобретения лежат следующие положения
.
При выращивании группы растений даже одного вида и сорта, то есть характеризуемых одинаковым генотипом, в условиях с некоторыми одинаковыми для всех растений факторами внешней среды, фенотип (совокупность биометрических показателей) отдельных экземпляров будет различен. Множество экспериментов, проведенных в этой области, показывают, что значения какого-либо фенотипического признака (количество листьев, их площадь, оптические характеристики, масса частей растения), а так же физиологических свойств и биохимического состава распределяются по нормальному закону, с большей или меньшей степенью разброса относительно среднего значения. Степень разброса характеризуется коэффициентом вариации и определяется по формуле
(1)
Здесь  - среднеквадратичное отклонение случайной величины (измеряемого показателя)
(2)
Среднее значение показателя  определяется по формуле
(3)
а
При математической обработке результатов сравнительного эксперимента с контрольной и опытной группами применяется стандартная процедура дисперсионного анализа, позволяющая выявить, является ли различие средних значений статистически знчимым при данной вариативности признака.
Известно, что кривая плотности нормального распределения случайной величины обладает следующим свойством: в пределах  находятся значения 68,3% всех вариантов, в пределах  - 95,4%, в пределах  - 99,7%. Таким образом, коэффициент вариации связан с надежностью, с которой необходимо идентифицировать различие средних.
о
Фиг. 1 иллюстрирует распределение измерений некоторого показателя, характеризуемого меньшим (слева) и бльшим (справа) значением коэффициента вариации .
и
Естественно, что при определении чувствительности растений к факторам внешней среды необходимо выбирать такой показатель, у которого коэффициент вариации минимален (более острая кривая распределения). В этом случае даже небольшие отличия в средних значениях показателей  у контрольной и опытной групп могут быть интерпретированы как статистически значимые. Напротив, если выбранный показатель обладает высокой вариативностью, кривая плотности распределения является пологой и даже больше отличия средних значений могут оказаться статистически незначимыми.
Дело осложняется тем, что невозможно априорно выбрать показатель, по которому следует определять различие средних при определении чувствительности растений к факторам внешней среды. При различных сочетаниях действующих факторов наблюдается различная вариативность фенотипических и других показателей растения. Тот показатель, который демонстрировал наименьшую вариативность при каком-то наборе уровней факторов внешней среды, при другом наборе уже может не обладать данным свойством.
Предусмотрено предварительное создание базы данных о свойствах измеряемых показателей растений (их вариативности) при различных сочетаниях значений факторов внешней среды. В основных измерениях производится выбор наиболее близкого набора факторов и показателя с наименьшим значением коэффициента вариации. Степень отклонения не более 20% определена допустимой в проведенных авторами экспериментах. Исследуют действие нового фактора, по которому отсутствует информация в базе данных. Выбор записи в базе данных производится так же по критерию близости значений остальных факторов. Результаты измерений чувствительности растений к новому фактору вносят в базу данных и используют при последующих измерениях. При автоматизированном фенотипировании растений пополнение базы данных производится сигналами, полученными с первичных датчиков под управлением компьютера. На фиг. 2 показан фрагмент формируемой базы данных.
Численно чувствительность растений определяется как отношение изменения показателя, зависящего от фактора внешней среды, к изменению величины этого фактора. Для этого необходимо проведение двух измерений (фиг. 3).
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом
.
Для формирования базы данных о влиянии сочетания факторов внешней среды на отклик (чувствительность) растений производят предварительные измерения. Они заключаются в том, что задают различные сочетания факторов внешней среды и  действуют ими на растения в процессе роста последних до определенного возраста. В качестве отклика у полученных экземпляров растений используют оптических свойств листьев в синем (400…500 нм), зеленом (500…600 нм) и красном (600…700 нм) участках спектра. У найденных показателей отдельных экземпляров растений определяют значения среднего значения показателя, среднеквадратичного отклонения и коэффициента вариации. Полученные результаты сохраняют в базе данных на машиночитаемом носителе.
В основных измерениях формируют контрольную и опытную группы растений. Условия выращивания растений этих групп различаются тем, что дополнительно на растения опытной группы действуют фактором, чувствительность к которому предстоит выявить. Выбирают строку из сохраненной на машиночитаемом носителе базы данных, в которой содержится сочетание факторов с ближайшими значениями (отклонения не более 20%). Показатель  для выявления чувствительности растений выбирают из полученной записи, с минимальным значением коэффициента вариации. Чувствительность растений к исследуемому фактору выявляют, сравнивая значения выбранного показателя у растений контрольной и опытной групп.
Пример 1
E
ФП
К
Е
ФП=16ч
К=6
N
D
D
D
/
2
2
B
G
R
. Производили предварительные измерения для формирования базы данных. Растения томата выращивали в лабораторных условиях, при различных сочетаниях облученности , Вт/м; фотопериода , ч. и доли дальнекрасного излучения в общем потоке , %. В эксперименте при выращивании растений поддерживали следующие значения уровней этих факторов: =120 Вт/м, ,  %. У листьев полученных экземпляров растений (в количестве =10 шт) в возрасте 48 дней с помощью денситометра ДП-1М измеряли оптическую плотность в синем, зеленом  и красном  диапазонах, а так же вычисляли производный показатель - отношение оптических плотностей листьев в красном и зеленом диапазонах .
D
B
Для величины  получили следующие значения: 2.79; 3.01; 2.93; 3.08; 2.74; 2.98; 2.89; 2.78; 3.02; 2.93 отн.ед.
Среднее значение (по формуле 3) равно 2.91 отн.ед.
Среднеквадратичное отклонение (по формуле 2) равно 0.11 отн.ед.
Коэффициент вариации (по формуле 1) равен 3,9 %.
Аналогичные вычисления проводили для остальных измеряемых и вычисляемых показателей. Полученные значения сохранили в базе данных в записи №1 (фиг. 2) на машиночитаемом носителе.
В следующих экспериментах растения выращивали при других сочетаниях факторов, сохраняя результаты в следующих записях базы данных.
Пример 2
E
ФП
К
2
. В основных измерениях при определении чувствительности растений томата к дальнекрасному излучению растения выращивали в двух группах, контрольной и опытной, до возраста 48 дней. Факторами, общими для обеих групп являлись облученность и фотопериод. В процессе роста растений их поддерживали на уровнях =90 Вт/м и =18 ч. Исследуемым фактором, воздействующим только  на растения опытной группы, являлась доля дальнекрасного излучения в общем потоке излучения, которую установили на уровне =8%.
/
/
Из сформированной в предварительных измерениях базы данных определяли запись, которая соответствует информации о ближайших значениях факторов контрольной группы. В данном примере это запись №8 (фиг. 2), минимальное значение коэффициента вариации в которой (4,2 %) наблюдается у показателя отношения оптических плотностей  . Этот показатель выбрали для выявления факта чувствительности растений к исследуемому фактору.  Для этого измерили значения  у листьев растений контрольной и опытных групп. Значимость различий средних определили дисперсионным анализом по стандартной методике.
Для определения численного значения чувствительности растений изложенные действия проводили дважды, при различных значениях исследуемого фактора =8 % (первый эксперимент) и =10 % (второй эксперимент). Получены значения отношения оптических плотностей 1,34 и 1,48 отн.ед. соответственно. Численное значение чувствительности равно (1,48-1,34)/(10-8)=0,07 отн.ед./%. Интерпретировать полученное значение и его размерность следует так, что при изменении доли дальнекрасного излучения, действующего на растения томата в процессе выращивания на один процент, наблюдается изменение отношения оптических плотностей листа в красной и зеленой областях на 0,07 отн.ед. Полученными значениями показателей и соответствующими им уровнями факторов пополнили базу данных, занеся их в новые записи.