РАСТИТЕЛЬНЫЙ АКТИВАТОР ДЛЯ САХАРНОГО ТРОСТНИКА И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ
PLANT ACTIVATOR FOR SUGAR CANE AND USE THEREOF

Область техники
[001] Это изобретение относится к биокатализатору и его применению в процессе, относящемся к выработке, транспорту и накоплению сахарозы в культуре сахарного тростника.
Предшествующий уровень техники
[002] Культура сахарного тростника была ввезена в Бразилию в колониальный период, и она стала одной из основных культур в Бразильской экономике.
[003] Являясь крупнейшим производителем сахарного тростника в мире, Бразилия также является первой по производству этанола и сахара. Это позволяет Бразилии завоевать большую часть международного рынка посредством биотоплива, применяемого в качестве альтернативного вида энергии.
[004] Сельскохозяйственное производство и количество сахаров (TRS - общий восстанавливаемый сахар) обуславливают экономическую целесообразность культуры сахарного тростника (тонна сахарного тростника на гектар), которая бывает представлена определенной разновидностью в ее урожае.
[005] В настоящее время известны разновидности с низким содержанием волокон и высоким содержание сахарозы, которые могут предоставить превосходную сельскохозяйственную и промышленную продуктивность. Однако иногда невозможно культивировать идеальные разновидности в различных условиях производства. Необходимо согласовывать начало сбора урожая (скороспелость и созревание) со временем сбора урожая и промышленной обработкой для того, чтобы удовлетворить потребность в Pol (% сахарозы), требуемую для экономически идеального производства.
[006] С первых месяцев роста и развития сахарного тростника накопление сахара происходит постепенно в полностью развившемся междоузлии основания стерни. Максимальное накопление сахарозы происходит, только когда растение подвергается ограничительным условиям роста, и процесс общего накопления сахара обычно бывает описан как дозревание.
[007] Созревание сахарного тростника представляет собой физиологический процесс, который по существу задействует три процесса: (i) синтез сахаров в листьях (фотосинтез), (ii) транслокация или транспорт фотоассимиляцированных продуктов и (iii) хранение сахарозы в стеблях.
[008] Созревание, как биологический процесс, является сложным и очень динамическим и он подвержен изменениям из-за погодных условий. Временное прекращение осадков и падение средней температуры являются определяющими условиями для его начала.
[009] Например, в Юго-восточной части Бразилии созревание начинается в середине апреля, когда средняя температура снижается, таким образом, препятствуя растительному развитию, однако, без воздействия на процесс фотосинтеза, происходящий в активных листьях. Таким образом, с почти нулевыми скоростями роста растение начинает хранить продуцированные сахара, и его максимальная спелость бывает достигнута в сентябре/октябре (см. фигуру 1).
[0010] В соответствии с фигурой 1 средние результаты pol % сахарного тростника при экспериментальных условиях в программах улучшения доказывают, что только с мая доступные на рынке разновидности начинают достигать точки зрелости для срезания и промышленной обработки. Посредством наблюдения за нижним пределом установленной средней величины pol % сахарного тростника меньше среднего квадратического отклонения (нижняя кривая), можно констатировать, что существуют разновидности, которые достигают точку зрелости только с июня, то есть через 30 дней после сбора урожая.
[0011] Применение растительных регуляторов в областях и разновидностях, собранных в этот период, представляет собой технологию, которая общепризнанно ускоряет зрелость сахарного тростника и увеличивает продуктивность.
[0012] В настоящее время общепринятым является культивирование сахарного тростника в течение всего года. В случае высокой средней температуры и влажности почвы даже во время сбора урожая возможно обнаружить разновидности, демонстрирующие низкую промышленную эффективность, если они были культивированы в последнюю зиму перед этим урожаем, потому что они не имели адекватного времени созревания. В этом случае было бы интересно и выгодно ускорить зрелость.
[0013] После нескольких месяцев сахарный тростник может иметь высокое содержание сахара из-за недостатка воды, нутриентов и других факторов, необходимых для его развития. Этот факт не означает, что он будет физиологически зрелым в момент сбора урожая. В соответствии с этой аргументацией возможно сделать вывод, что взрослое состояние не означает полную зрелость.
[0014] В настоящее время на плантациях сахарного тростника применяют химические продукты, такие как ускорители созревания для увеличения содержания сахарозы в начале сбора урожая. Такие химические продукты представляют собой гербицидные соединения, такие как глифосат или ингибиторы роста, такие как растительные гормоны. Эти продукты, однако, имеют ограничение применения, такое как дрейф в урожаи рядом с плантацией вследствие распыления гербецида самолетом.
[0015] Из-за своего действия это может убить или вызвать повреждение соседних урожаев, что является очень частым в Сан Пауло, самом крупном производителе сахарного тростника (и также апельсинов, сои, арахиса и овощей и фруктов в целом), или даже отравить людей, живущих рядом с плантациями сахарного тростника.
[0016] Другим ограничением является период, требуемый для следующего урожая сахарного тростника, так как бывают применены ʺхимические продукты", в соответствии с этим необходимо ждать 20-40 дней для сбора урожая. Это период является важным для предотвращения загрязнения сахарного тростника.
[0017] Этот период, следовательно, может быть критичным, если сахарный тростник является полностью развившимся и/ или он должен быть собран перед этим временем.
[0018] В ходе поиска в предшествующем уровне техники были детектированы некоторые приоритеты, связанные с гербицидами, контролями, сахарозой и культурами сахарного тростника, которые не были посчитаны препятствующими для настоящего изобретения. Среди них могут быть упомянуты следующие:
[0019] - PI0100470-0, дата регистрации заявки 02/08/2011, название ʺRegulação e manipulação do teor de sacarose em cana-de-açúcarʺ. Эта заявка относится к регуляции и манипулированию содержания сахарозы в растении, которое накапливает сахар, таком как сахарный тростник, посредством регулирования ферментативной активности PFP в растении. Было отмечено, что субрегуляция PFP фермента, снижая концентрацию одной из субъединиц, а именно, субъединицы SS фермента, увеличивает содержание сахарозы в растении. В предпочтительном варианте осуществления изобретения ферментативная активность PFP бывает субрегулирована посредством добавления нетранслируемого элемента или антисенсного элемента выделенной нуклеотидной последовательности по изобретению.
[0020] - PI 9702457-0, дата регистрации заявки 06/06/97, название ʺMétodo para melhorar e/ou aumentar o teor de açúcar e/ou prevenir a redução do teor de açúcar de plantas as, método para controle de pestes, método para controle de teredem gorgulho de cana-de-açúcar e uso de um compostoʺ. Это изобретение относится к способу улучшения и/или увеличения содержания сахара и/или предотвращения снижения содержания сахара в растениях, в особенности сахарном тростнике, который содержит обработку растений с эффективным количеством соединения 1-арипиразол.
[0021] - PI 1106811-6, дата регистрации заявки 10/27/2011, название ʺComposição herbicida sinérgica contendo penoxsulame e orizalinʺ. Это изобретение относится к гербицидной синергетической композиции, содержащей (a) пеноксулам и (b) оризалин, которые представляют улучшенную послевсходовую гербицидную борьбу с сорняками контроль в древесных и лозовых культурах, дерне, сахарном тростнике, пастбищах и выпасах растениях, парках и коридорах, и управлении растительностью на промышленном предприятии.
[0022] - PI 9400602-4, дата регистрации заявки 02/17/1994, название ʺProcesso para controle de crescimento indesejado de plantas, Composição herbicida e Processo para combate de ervas daninhas em cana-de-açúcarʺ. Изобретение описывает, что совместное применение диметенамида с другими гербицидами обеспечивает улучшенную гербицидную активность.
[0023] Может быть подтверждено, что в предшествующем уровне техники еще не описан биокатализатор для применения в культуре сахарного тростника.
[0024] В этом изобретением с целью исключить ограничения предшествующего уровня техники был разработан биокатализатор для применения в способе, относящемуся к производству, транспортировке и накоплению сахарозы в культуре сахарного тростника. Упомянутый биокатализатор не вызывает вред или риск для находящегося рядом культивирования, а также может быть избегнут период из 20-40 дней для сбора урожая.
Описание фигур
[0025] Фигура 1. График 1 на на указанной фигуре демонстрирует кривую средней зрелости (Pol % сахарного тростника) для 48 клонов и разновидностей сахарного тростника, доступных на рынке (Источник: UfsCar - Federal University of São Carlos и CTC - Technology Center).
Краткая сущность изобретения
[0026] После исчерпывающего исследования авторы открытия разработали биокатализатор для применения в культурах сахарного тростника. Упомянутый биокатализатор не вызывает вред или риск для находящегося рядом культивирования, а также может быть избегнут период из 20-40 дней для сбора урожая.
[0027] Таким образом, цель этого изобретения заключается в применении биокатализатора в способе, относящемуся к производству, транспортировке и накоплению сахарозы в сахарном тростнике. Биокатализатор может быть применен в течение всего года, и применение содержит следующие стадии:
идентификация идеального момента для добавления нутриентов в систему;
добавление нутриентов в систему; и
действие нутриентов внутри растения.
Подробное описание изобретения
[0028] Для того, чтобы преодолеть проблемы, обнаруженные в предшествующем уровне техники, это изобретение нацелено на описание биокатализатора для сахарного тростника и его применение в способе, относящемуся к производству, транспортировке и накоплению сахарозы в течение всего года.
[0029] Упомянутый биокатализатор не вызывает вред или риск для находящегося рядом культивирования, а также может быть избегнут период из 20-40 дней для сбора урожая.
[0030] Упомянутый биокатализатор основан на балансе нутриентов (какие и в каких количествах), требуемом для изменения соотношения ферментов, ответственных за накопление сахара в растении.
[0031] Ранее применялись два питательных вещества (азот и калий) с попыткой стимулировать накопление сахара в конце культуры сахарного тростника. Однако, эта процедура была безуспешной, из-за того, что сахарный тростник рос без накопления сахара.
[0032] С экономической точки зрения сахарный тростник считается готовым для промышленной обработки, когда он демонстрирует 13% сахарозы по отношению к массе стебля и 85% степени чистоты (Brieger, 1968; In:Felipe, D.C., 2008), и зрелый сахарный тростник может достигать показатели более чем 90% степени чистоты (см. таблицу 1 ниже).
Таблица 1: Компоненты сока сахарного тростника
<b>Компоненты</b>
<b>Сахарный тростник - незрелая стадия</b>
<b>Сахарный тростник - зрелая стадия</b>
Вода
88%
79%
Растворимые твердые вещества (Brix)
12%
21%
Растворимые твердые вещества
Сахарный тростник - незрелая стадия
Сахарный тростник - зрелая стадия
Сахароза (Pol)
8%
19%
Глюкоза
1,9%
0,4%
Фруктоза
1,0%
0,3%
Не сахара*
1,1%
1,3%
Видимая степень чистоты (Pol/ Brix*100)
66,7%
90,5%
*Жиры, воски, красители, крахмал, макро и микронутриенты и т.д.
[0033] Результаты технологических анализов в образцах сахарного тростника, осуществленные в начале сбора урожая, в Жаботикабале, Сан Пауло (см. таблицу 2), демонстрируют, что с конца апреля растения сахарного тростника возрастом приблизительно 14 месяцев уже инициировали их природный процесс созревания (степень чистоты=80,1%) и через тридцать дней они были зрелыми, то есть пригодными для сбора урожая.
Таблица 2: Результаты технологических анализов в образцах сахарного тростника, осуществленных в начале сбора урожая, в Жаботикабале, СП, (12 клонов/разновидности в среднем).
Результаты
14 марта
04 апреля
27 апреля
18 мая
06 июня
Brix%Сока
14,9
16,5
17,6
18,8
19,2
Pol%Сока
10,9
12,7
14,1
15,5
16,6
Степень чистоты
73,2
77,0
80,1
82,4
86,5
[0034] Если растения сахарного тростника, степень чистоты которых составляет 85%, считаются зрелым, применение растительных регуляторов должно быть осуществлено перед этой стадией, так что может произойти индуцированное созревание.
[0035] Растительные регуляторы представляют собой вещества, которые изменяют физиологию растения посредством воздействия на синтез аминокислот и ферментов или посредством стимулирования выработки гормонов, таким образом, ограничивая клеточное деление или рост при меристематическом росте.
[0036] Однако, существуют данные о применении макро и микронутриентов так, что они непосредственно действуют в стадиях процесса созревания, что может препятствовать зрелости сахарного тростника. Кроме того, может быть выгодно применять питательные вещества, потому что они не накладывают риск на урожаи в областях, близких к плантациях сахарного тростника.
[0037] На основании этих сведений был разработан упомянутый биокатализатор, для применения в способе, относящемуся к производству, транспортировке и накоплению сахарозы в культуре сахарного тростника в течение всего года. Биокатализатор задействован в трех стадиях, описанных ниже.
Стадия 1 - Идентификация идеального момента для добавления нутриентов в систему
[0038] Подходящий путь для определения идеального момента для добавления нутриентов в систему для того, чтобы повысить сахар в конце цикла заключается в анализе степени чистоты сахарного тростника. Эта информация свидетельствует о том, что на плантациях сахарного тростника эта технология может предоставить большие приросты.
[0039] Степень чистоты в процентах является количеством сахарозы в соке сахарного тростника (Pol % сока или сахарозы экстрагирования сока - SCE), содержащегося в растворимых твердых веществах сока (Brix сока). Было рассчитано посредством уравнения:
Степень чистоты=Pol/Brix X100
[0040] Идеальные уровни степени чистоты для лучших приростов сахара составляют между 75% и 85%. В этот момент питательные вещества должны быть добавлены в систему.
Стадия 2 - Добавление нутриентов в систему
[0041] Изучали специфическую функцию каждого нутриента для этой стадии культуры сахарного тростника, а также необходимое количество для каждого, так, что требуемая реакция может произойти специфическим образом. Таким образом, каждый нутриент является релевантным в соответствии с характеристиками, описанными ниже:
[0042] - азот (N), обнаруженный в хлорофилле, пигменте в хлоропластах растений, необходимом для улавливания солнечной энергии, которая бывает превращена в химическую энергию, его синтез является нарушенным в условиях недостатка азота (N), происходят симптомы, известные как хлороз. Его избыток, однако, стимулирует рост, нежелательный фактор на этой стадии;
2
[0043] - калий (K) ответственен за активирование ферментов и поддерживание тургесценции клеток и дисперсии протоплазмы. Он регулирует открытие устьецев и, следовательно, поступление CO, источника углерода для синтеза сахара. Он действует в метаболизме и влияет напрямую на транспорт сахарозы из листьев в стебель;
фосфор
[0044] - (P) действует напрямую в превращении фруктозы в сахарозу. Кроме того, он является ответственным за превращение световой энергии в химическую энергию (ATP) в фотосинтезе;
[0045] - бор (B) является ответственный за развитие корней и действует напрямую в транспорте сахаров. Он связан напрямую с метаболизмом кальция, то есть этот нутриент требуется для адекватного формирования клеточной стенки. Физиологическая функция бора отличается от других микронутриентов, потому что этот анион не был идентифицирован в каком-либо конкретном или ферменте. Одними из главных функций, связанных с этим микронутриентом, являются метаболизм углеводов и транспорт сахаров через мембраны, синтез нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и фитогормонов, формирование клеточных стенок и клеточное деление (Dechen et al, 1991);
медь
[0046] - (Cu) участвует в биосинтезе порфирина с железом, предшественника хлорофила; следовательно, его отсутствие ухудшает и фотосинтетический процесс;
[0047] - марганец (Mn) является донором электронов в фотосистеме II, в синтезе хлорофилла и в формировании и функционировании хлоропластов. Он действует в фотосинтезе, задействован в структуре, функционировании и увеличении числа хлоропластов, а также осуществлении электронного транспорта. Он требуется для активности некоторых дегидрогеназ, декарбоксилаз, киназ, оксидаз и пероксидаз. Он задействован в функционировании других ферментов, активируемых катионами, и в фотосинтетическом образовании кислорода (Taiz & Zeiger, 2004). Наблюдается большое количество марганца в зонах роста растения, в основном в сердцевине пальмы. Он бывает обнаружен в основном в меристематических тканях
[0048] - молибден (Mo) действует в системах фиксации азота и его недостаток приводит в результате к более низким уровням сахаров и аскорбиновой кислоты. Он необходим для метаболизма азота в растениях, которые в качестве источника этого нутриента применяют нитрат из почвы и/или атмосферный азот из процесса биологической фиксации диазотрофными бактериями, связанными с растением. Сахарный тростник может получать N из этих двух источников, и, следовательно, на основании этого сформулирована гипотеза, заключающаяся в том, что Mo является показателем производительности для этого сбора урожая, его адекватное поступление требуется для удовлетворения потребности в N растений, в основном для улучшения вклада биологической фиксации азота (БФА) в питании на основании азота. В биологических системах молибден входит в состав по меньшей мере пяти ферментов-катализаторов реакций. Три из этих ферментов (нитрат редуктаза, нитрогеназа и сульфитоксидаза) обнаружены в растениях (Gupta & Lipsett, 1981 apud Dechen et al, 1991);
[0049] - цинк влияет на уровень триптофана, предшественника аминокислоты ауксина (AIA), гормона необходимого для удлинения и увеличения объема клетки; следовательно, удлинения междоузлий (пространство для хранения);
[0050] - сера (S) играет важную роль в метаболизме и, следовательно, цикле жизни растений. Молекулы, содержащие S, участвуют в структурах необходимых аминокислот, хлорофила, ферментов и коферментов, а также принимают участие в различных метаболических процессах, таких как ферментативная активация;
[0051] - магний (Mg) играет несколько ключевых ролей в сахарном тростнике. Следующие метаболические процессы и реакции в особенной степени подвержены действию Mg: фотофосфорилирование (такое как формирование ATP в хлоропластах), фотосинтетическая фиксация диокисда углерода, синтез белков, формирование хлорофила, загрузка флоэмы, отделение и применение фотоасимилированного, генерирование активных форм кислорода. Следовательно, многие физиологические и биохимические процессы подвержены воздействию магния.
[0052] На основе вышеупомянутого был рассчитан баланс нутриентов в расчете на 1 гектар сахарного тростника. См. Таблицу 3 ниже:
Таблица 3 - Баланс нутриентов
Нутриент
Количество
Азот(N)
90 г
Калий (K<sub>2</sub>O)
400 г
Магний (MgO)
40 г
Сера (S)
150 г
Бор (B)
12 г
Медь (Cu)
4 г
Марганец (Mn)
12 г
Молибден(Mo)
0,3 г
Цинк (Zn)
24 г
Стадия 3: Питательные вещества, действующие внутри растения
[0053] Доступность этих нутриентов в растениях воздействует напрямую на (i) фотосинтез, (ii) транспорт и (iii) хранение сахаров, таким образом усиливая и катализируя каждую фазу и увеличивая эффективность процесса. В соответствии с описанием стадии 2 каждый нутриент действует следующим образом:
(i) Фотосинтез:
[0054] Из-за большого количества глюкозы, продуцированной в фотосинтезе, она бывает трансформирована в сахарозу в цитозоле мезофильных клеток, из которых она переносится в вакуоли клеток в стебле.
(ii) Транспорт:
[0055] Хотя транспорт сахарозы также бывает усилен присутствием задействованных нутриентов, не происходит концентрации сахарозы в апопласте (внешние компартменты по отношению к плазматической мембране). Это происходит из-за того, что, как было доказано, недостаток азота, фосфора, калия и бора значительно снижает скорость транспортировки сахарозы.
(iii) Накопление сахарозы:
[0056] Одним из преимуществ этого изобретения является то, что наибольшее накопление сахарозы в апопласте ингибирует действие кислой инвертазы (SAI), которая является ответственной за превращение сахарозы в гексозы (глюкозу и фруктозу), что делает доступным углерод и энергию для метаболических активностей растения в качестве части дыхательного процесса и синтез дифференцированных соединений, применяемых при росте. Как следствие происходит стимуляция синтеза нейтральной инвертазы (NI), которая представляет собой фермент, ответственный за транспорт сахарозы для хранения, таким образом, приводя в результате к большему накоплению сахара и ускорению зрелости.
[0057] Например, ферментативный баланс в настоящем изобретении, который может быть изменен концентрацией сахарозы (гексоз) в клетках стебля, представлен следующим образом:
(мало гексозы)
↑
↓
SAI (высокое) ----------->NI (низкое)=интенсивный рост
(много гексозы)
↓
↑
SAI (низкое) ----------->NI (высокое)=накопление сахара
[0058] Другое преимущество этого изобретения заключается в том, что искусственная зрелость посредством задействования химических продуктов делает возможным манипулирование разновидностями посредством увеличения содержаний сахара в средних и верхушечных междоузлиях, таким образом, стимулируя промышленное качество необработанного материала и внося вклад в лучшие экономические результаты.
[0059] Искусственная зрелость представляет собой важное средство для планирования сбора урожая. На практике она способствует ускорению срезания растений сахарного тростника с вертикальным увеличением производства, что означает большую продуктивность на такой же единице площади.
[0060] Также имеет место выгода для срезания, загрузки, транспорта и промышленной обработки из-за большего количество сахара и этанола в расчете на тонну сахарного тростника.
[0061] Специалисты в технологии поймут, что небольшие вариации этого изобретения попадают в объем притязаний изобретения.