Способ оценки действия оптического излучения на растения по стабильности их развития
METHOD OF ASSESSING THE EFFECT OF OPTICAL RADIATION ON PLANTS ON STABILITY OF THEIR DEVELOPMENT

Изобретение относится к области сельского хозяйства, к общей ботанике, к способам выращивания растений с применением облучения, изменение параметров которого приводит к модификации фенотипа растений и может быть использовано в тепличном растениеводстве при выращивании растений с применением оптического излучения (ОИ) от дополнительных источников (светокультуре), при проектировании и эксплуатации облучательных установок.
Для роста и развития растений необходима энергия ОИ в области фотосинтетически активной радиации 400…700 нм (ФАР), создающая световые условия, которые описываются набором параметров. Важнейшие из них - спектральный состав, фотопериод, облученность. Использование потока искусственного ОИ, получаемого даже с помощью современных источников света (светодиодов) имеет весьма низкий КПД, поскольку сопряжено с большими потерями энергии на всех этапах ее преобразования: в блоке питания и источнике, при передаче на фотосинтетический аппарат растения и ее полезного использования растением [Ракутько С.А., Ракутько Е.Н. Моделирование и численный анализ энергоэкологичности светокультуры / Сельскохозяйственные машины и технологии. – 2019. – Т.13. – № 3. – С. 11-17]. Поэтому на практике важным вопросом является выявление отклика растений на световые условия их выращивания, т.е. оценка степени действия ОИ на растения.
Создание экологичных и качественных, в том числе функциональных, продуктов питания  и продуктов лечебного назначения представляет собой актуальную проблему. Светокультура является важнейшим способом получения таких продуктов в неблагоприятных климатических условиях. В современной интенсивной светокультуре оценка действия ОИ необходима для обоснованного выбора источников света (ИС), обеспечивающих оптимальные световые условия, для достижения технологической и экономической эффективности производства при соблюдении требований к экологичности продукции.
Из уровня техники известен способ оценки действия ОИ на растения, заключающийся в том, что измеряют ту часть поглощаемой энергии потока ОИ, которая используется в процессе фотосинтеза и соответствует спектральной чувствительности среднего растения данного вида [Свентицкий И.И. Способ оценки действия оптического излучения на растения. А.с. №124669, МПК А01Н 17/02, 1959 г.].
Недостатком известного способа является то, что используют физиологический признак, а именно, накопление растениями органического вещества, без учета качества получаемой продукции, ее экологичности. Кроме того, спектральную чувствительность растений принимают постоянной, средней для данного вида, без учета ее зависимости от других параметров световых условий и факторов окружающей среды.
Известен способ оценки действия ОИ по продолжительности вегетации и урожаю растений, выращиваемых при заданной облученности и различном спектральном составе излучения, задаваемого соотношением энергии в отдельных спектральных диапазонах ФАР [Тихомиров А.А. и др. Способ выращивания томатов. А.с. №1754021, МПК А01G 31/00, 1989].
Недостатками известного способа является то, что используют хозяйственные признаки, а именно, продолжительность вегетации и величину урожая, без учета экологичности и качества получаемой продукции, а также длительность экспериментов, связанная с большим сроком выращивания растений до получения полезной продукции.
Известен способ, при котором оценку действия ОИ производят по морфологическому признаку – объему семядолей, при этом в качестве показателя используют отношение объемов семядолей проростка при заданных и оптимальных световых условиях для растений данного сорта [Примак А.П. Способ определения степени светотребовательности растений. А.с. № 784839, МПК А01Н 1/04, G 7,00, 1979].
Недостатки известного способа – невысокая точность определения объема семядолей, связанная с необходимостью измерения их толщины, длительность и неудобство проведения измерений геометрических размеров семядолей. Кроме того, принятый морфологический признак в недостаточной степени характеризует процесс развития растения в онтогенезе, что снижает надежность оценки действия ОИ по данному способу.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ, при котором оценку действия ОИ на растения производят по стабильности их развития, показателем которой является морфофизиологический признак - величина флуктуирующей асимметрии (ФА) билатеральных (зеркальных) признаков (БП). В качестве БП применяют геометрические размеры структур растения, по которым рассчитывают показатель ФА БП, являющийся численной характеристикой отклонения морфогенетических процессов у симметричных органов растений под влиянием стрессовых факторов окружающей среды [Жидкова Е.Н., Горшков В.И. Способ отбора растений рапса (Brassica Napus L.) по признаку засухоустойчивость. Пат. РФ на изобр. № 2498564, МПК А01Н 1,04, 2011].
Применение известного подхода к оценке действия ОИ на растения в светокультуре при анализе уровня техники не выявлено, в силу того, что до настоящего момента были не известны факты о влиянии параметров световой среды, в частности, спектрального состава излучения на показатель ФА БП растений.
Техническая задача изобретения – обеспечение надежности и удобства оценки, повышение ее точности, сокращение необходимого для оценки времени.
Технический результат достигается тем, что
– производят выращивание растений в регулируемых условиях световой среды,
– оценку действия ОИ на растения производят по изменению морфофизиологического признака,
– в качестве морфофизиологического признака используют стабильность развития растений, численную оценку действия определяют как отношение величины ФА БП парных органов растений при заданных и оптимальных условиях световой среды для растений данного вида и сорта,
– в частном случае выращивание растений производят до фазы семядолей, у которых измеряют величину ФА БП,
– в частном случае в качестве БП используют оптические свойства органов растений.
Новые существенные признаки:
– в качестве морфофизиологического признака используют стабильность развития растений, численную оценку действия определяют как отношение величины ФА БП парных органов растений при заданных и оптимальных условиях световой среды для растений данного вида и сорта,
– в частном случае выращивание растений производят до фазы семядолей, у которых измеряют величину ФА БП,
– в частном случае в качестве БП используют оптические свойства органов растений.
Перечисленные новые существенные признаки позволяют получить технический результат во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Технический результат обеспечивается тем, что:
– представленная совокупность существенных признаков обеспечивает оценку действия ОИ на растения по стабильности их развития, т.е. реализацию назначения изобретения;
– выбор в качестве отклика растения на действие ОИ морфофизиологического признака обеспечивает надежность получаемого результата;
– использование в частном случает семядолей как парных органов, по которым определяют величину ФА БП, позволяет сократить срок выращивания и, соответственно, время выполнения оценки;
– использование в частном случае в качестве БП оптических свойств органов растений позволяет использовать бесконтактные методы измерения, что обеспечивает точность, высокую скорость и удобство проведения оценки.
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 фиксации условий выращивания растений, измерению параметров микроклимата и световой среды, производству выборок из массива растений с соблюдением требований к статистической достоверности, лабораторных исследований биометрии и физииологии растений. Материальными средствами являются технологическое и светотехническое оборудование, лабораторные и измерительные приборы, средства обработки промежуточных экспериментальных данных и представления итоговых значений.
Возможность использования предлагаемого способа в сельском хозяйстве, проведения отдельных действий и их совокупности в описанном виде позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «промышленная применимость».
В изобретении используется неизвестный ранее эффект – влияние параметров световой среды (в частности, спектрального состава излучения) на стабильность развития растений, характеризуемой величиной ФА БП. Использование этого нового эффекта позволяет произвести оценку действия ОИ с данными параметрами на растения.
Изобретение поясняется чертежами.
1
1
2
2
3
3
4
4
L
L
W
W
На фиг.1  показаны измеряемые геометрические БП листа петрушки: 1) длины первых (L, R) и 2) вторых (L, R) от розетки черешков первого порядка, отходящих от центральной жилки (рахиса), а так же длины черешков второго порядка, отходящих от первых черешков первого порядка 3) наружу (L, R) и 4) внутрь (L, R) листа; на фиг.2 показан график зависимости коэффициента стабильности S, определенного для величины ФА длин первых черешков первого порядка от спектрального состава излучения, заданного коэффициентом k отношения энергий в красном и синем диапазоне ФАР; на фиг.3 показаны измеряемые геометрические БП семядолей кабачка:  длины (L , R) и ширины (L , R) соответственно левой и правой семядоли; на фиг.4 показана корреляция массы ювенильного растения кабачка и величины ФА по длине семядолей при выращивании растений под источниками света №1 и №2 с различным спектральным составом; на фиг. 5  показаны места измерения оптической плотности на семядолях дайкона и измеряемые спектральные оптические плотности семядолей в синем (, ), зеленом  (, )  и красном ( , ) диапазонах соответственно для левой и правой семядоли; на фиг.6 показана корреляция массы ювенильного растения дайкона и величины ФА по оптической плотности семядолей в синем B, зеленом G и красном R диапазонах при выращивании растений под источниками света №3 и №4 с различным спектральным составом.
Энергия потока ОИ в области ФАР является основой обеспечения процессов фотосинтеза и получения полезной продукции в светокультуре и оказывает большое влияние на рост, развитие и физиологию растений. Слишком длинный или короткий фотопериод, недостаточная интенсивность света или его неудовлетворительный спектральный состав, действуя на растение по отдельности или в совокупности, оказывают на него отрицательное влияние. В целях обеспечения максимальной продуктивности выращиваемых растений при минимуме энергетических затрат применяют дополнительное облучение от искусственных ИС. При этом возможно широкое варьирование параметрами излучения: интенсивностью, продолжительностью, спектральным составом. В растениях под влиянием энергии ОИ проявляется  целый ряд эффектов, ведущих к регуляторным, адаптивным и другим процессам, вплоть до экспрессии генов. Даже единичные кванты ОИ, поглощаемые растительным организмом, запускают быстрые и хорошо заметные превращения морфофизиологического состояния растений.
Стабильность развития растений формируется во взаимодействии случайных событий в организме растения и их способности точно следовать программе, заложенной в генотипе, сопротивляясь воздействиям окружающей среды во время развития для формирования оптимального фенотипа. Недостаточное качество среды выращивания выражается в явлении нестабильности развития.
Внешним проявлением нестабильности развития растений на макроуровне является явление ФА отдельных морфологических структур. Другими словами, те БП, у которых исходя из общей архитектуры растения, можно было ожидать идеальную (зеркальную) симметрию (половины простых листьев, противоположные листочки сложных листьев, иглы хвойных в мутовке, лепестки цветков, створки стручков, супротивные листья), в реальности, по результатам множественных измерений, статистически демонстрируют незначительные и случайные отклонения от идеальной симметрии. Нарушение симметрии регистрируют путем сравнения линейных размеров, величин углов или площадей билатеральных структур. Уровень ФА является минимальным лишь при оптимальных условиях среды и возрастает при любых стрессовых воздействиях.
Феномен ФА находит широкое применение в экологическом мониторинге природных популяций при оценке воздействия различных факторов на среду обитания живых организмов. Учет незначительных и ненаправленных отклонений от строгой билатеральной симметрии, которые выражаются тем отчетливее, чем сильнее внешние воздействия, позволяет оценить стабильность развития организма.
При этом дестабилизация развития организма начинает проявляться уже на относительно низком уровне средовых нарушений, которые еще не связаны с необратимыми изменениями в живом организме. Это позволяет использовать ФА как индикатор стабильности развития организмов, характеризующий даже незначительные отклонения параметров среды от фонового состояния [Методические рекомендации по выполнению оценки качества среды по состоянию живых существ (оценка стабильности развития живых организмов по уровню асимметрии морфологических структур)/  Утверждено Распоряжением Росэкологии от 16.10.2003 № 460-р. М., 2003]. Используя эффект чувствительности стабильности развития растения к параметрам  световой среды, появляется возможность принять уровень ФА за индикатор состояния растения, по которому можно оценивать действие ОИ на растения.
Поддерживая прочие факторы окружающей среды постоянными, в качестве варьируемого принимают параметр световой среды, оценку действия которого на растения необходимо произвести: фотопериод, облученность, либо спектральный состав. Последний может быть задан, например, соотношением интенсивности энергии k в двух спектральных диапазонах.
В отличие от частей листа, билатеральные структуры которого расположены сравнительно недалеко, семядоли пространственно разнесены значительно дальше одна от другой,  но все еще находятся в одинаковых условиях воздействия факторов. С учетом того, что они первыми появляются на развивающемся растении, семядоли в частном случае так же могут быть использованы для оценки действия ОИ на растения по стабильности их развития.
Определение ФА по геометрическим размерам представляет определенные сложности и неудобства, связанные с низкой точностью таких измерений, длительностью и неудобством их проведения. Более удобным является применение бесконтактного метода измерения оптических свойств органов растений. В физиологических процессах, протекающих в растении под действием ФАР, участвует лишь та его часть, которая поглощается растительными тканями. Такие пигменты листа растения, как хлорофиллы, каротиноиды и антоцианы, поглощают излучение в определенных спектральных диапазонах и их содержание может быть оценено по оптическим свойствам листа, в частности, по его оптической плотности (ОП) в отдельных физиологически значимых спектральных диапазонах, например, синем B (400…500 нм), зеленом G (500…600 нм) и красном R (600…700 нм). Содержание пигментов связано с другими физиологическими или структурными свойствами листа, поэтому в частном случае ФА спектральной ОП листа может выступать как индикатор комплексной физиологии листьев, формирующихся в конкретных условиях окружающей (в том числе световой) среды. Кроме того, оптическая плотность зависит не только от поглощающих свойств тканей листа, но и от его толщины, т.е. дополнительно учитывается и этот морфологический признак.
Что бы признак ОП был билатеральным, площадки листа для измерения оптических свойств необходимо выбирать симметричными относительно центральной жилки  либо в симметричных точках оппозитно расположенных листьев или семядолей.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
Выбирают вид и сорт растений, по действию на которые производят оценку ОИ. Выбирают параметр световой среды, действие которого оценивают в эксперименте. Экземпляры растений выращивают при некоторых постоянных условиях микроклимата и световой среды, кроме выбранного фактора, который является варьируемым в серия экспериментов.
В определенную фазу роста, после формирования билатеральных органов (семядолей, оппозитно расположенных листьев, половинок листа) измеряют значения БП, в качестве которых могут быть использованы как геометрические размеры (длины, ширины, углы между характерными точками билатеральных органов), а также их оптические свойства (например, спектральные коэффициенты пропускания, отражения, ОП листьев), которые зависят от содержания пигментов в листьях. Измеряют показатели продуктивности растений. Выявляют те БП, асимметрия которых носит флуктуирующий характер и для которых наблюдается статистически значимая корреляция показателей ФА и продуктивности растений.  Определяют значение показателя ФА в данной серии экспериментов  для выявленных БП по формуле
, (1)
где i – номер растения; N – общее количество растений в данной серии экспериментов, , - численное значение БП у i-го растения в j-й серии экспериментов соответственно слева и справа.
Отношение величины ФА при данном значении фактора световой среды к величине ФА при оптимальном значении этого фактора представляет собой оценку действия ОИ на растение и численно характеризует стабильность его развития. В сериях экспериментов находят значения коэффициента стабильности S, вычисляемого по формуле
. (2)
опт
Величина коэффициента S (как и ФА) находится в определенной зависимости от варьируемого фактора световой среды (характеризуемого, например, величиной коэффициента k). При  k=k значения ФА имеют минимальное значение, а коэффициент стабильности равен единице. При увеличении или уменьшении величины коэффициента k  значения коэффициента стабильности S превышает единичное значение, тем больше, чем интенсивней воздействие данного фактора на растения. Данное обстоятельство позволяет произвести оценку действия ОИ на растение.
В первом из приведенных ниже примерах производится численная оценка действия ОИ на растения в условных единицах шкалы стабильности развития при плавном варьировании спектрального состава ОИ. В следующих двух примерах оценка заключается в сравнении действия ОИ от двух источников с различными фиксированными спектрами.
.
-2
-1
R
B
Пример 1. Осуществление предлагаемого способа проводили при выгонке петрушки (Petroselinum tuberosum)  сорта Урожайная на зелень. Растения выращивали в искусственных условиях, при температуре воздуха +18°С и влажности 60%. Фотопериод составлял 8 ч в сутки, облученность 80 мкмольм⋅с. Варьируемым фактором световой среды являлся спектральный состав излучения, который в сериях опытов обеспечивали различным сочетанием синих и красных светодиодов и характеризовали коэффициентом отношения доли потока красного излучения k  к доле синего потока k
. (3)
В конце эксперимента фиксировали количество листьев в розетке и их длину, сырую массу листьев и содержание в них сухого вещества, БП (геометрические размеры) листьев петрушки.
1
1
2
2
3
3
4
4
Петрушка имеет сложные листья, состоящие из нескольких четко обособленных листовых пластинок (листочков), каждый из которых своим черешком прикреплен к общему черешку (рахису). Прикорневые и нижние стеблевые листья тройчато-рассеченные с перисто-рассеченными или дважды-перисто-рассеченными сегментами, их конечные сегменты продолговато-яйцевидные или почти ромбовидные в очертании. У листьев петрушки статистическому анализу были подвергнуты четыре БП: 1) длины первых от розетки (L, R) и 2) вторых (L, R) черешков первого порядка, отходящих от рахиса, а также длины черешков второго порядка, отходящих от первых черешков первого порядка 3) наружу (L, R) и 4) внутрь (L, R) листа  (фиг. 1).
Статистическая обработка результатов оценки ФА включала проверку данных на нормальность распределения величины разницы между БП; на присутствие направленной асимметрии и антисимметрии; на зависимость величины асимметрии признака от его размера; на коррелированность признаков; сравнение уровня ФА листьев петрушки, полученных под излучением с различным спектром.
Для анализа выбран первый БП. В таблице показаны результаты экспериментальных исследований.
Таблица. Результаты эксперимента
№
k<sub>B</sub>, %
k<sub>R</sub>, %
k, отн.ед.
ФА, отн.ед.
S<sub>j</sub>, отн.ед.
1
31,6
68,4
2,2
0,0556
2,7
2
28,6
71,4
2,5
0,0400
1,9
3
21,1
78,9
3,8
0,0240
1,1
4
17,4
82,6
4,8
0,0209
1,0
5
15,4
84,6
5,5
0,0350
1,7
6
14,5
85,5
5,9
0,0408
2,0
мин
опт
На фиг. 2 показана зависимость коэффициента стабильности S, определенного для величины ФА по этому признаку от коэффициента k, характеризующего спектральный состав излучения. Полученная кривая S=f(k) аппроксимирована полиномом второй степени. Найден экстремум - минимальное значение ФА=0,0206 отн. ед., которое наблюдается при оптимальном значении k=4,2 отн. ед., что соответствует спектральному составу излучения 19 % синего излучения и 81 % красного в общем потоке ФАР. При этом так же наблюдался наибольший выход выгоночной зелени. Определяя величину ФА для излучения с произвольным спектром, можно оценить степень близости излучения  к оптимальному для светокультуры петрушки.
Пример 2. Способ оценки действия ОИ на растения в фазе семядолей  осуществляли при выращивании кабачка (Cucurbita pepo var. Giromontina). Измерения производили у растений в ювенильном возрастном состоянии, т.е. с момента появления первого и до появления второго листа, на седьмые сутки после появления всходов.
.
-
-1
Растения выращивали в искусственных условиях, при температуре воздуха +23°С и влажности 60 %. Фотопериод составлял 14 ч в сутки, облученность  72 мкмольм2⋅с. Использовали два типа источников света на светодиодах с фиксированным спектром. У источника №1 доля дальнекрасного излучения (700…780 нм) составляла 3 % от ФАР, у источника №2 27 %. Задачей являлось оценить действие ОИ с различной долей дальнекрасного излучения на растения.
L
L
W
W
В конце эксперимента в качестве показателей продуктивности фиксировали сырую массу растений и длину первого настоящего листа. В качестве БП фиксировали длины (L , R) и ширины (L , R) соответственно левой и правой семядоли. У кабачка семядоли развиваются еще в семени,  на не дифференцированном зародыше. По своей форме, анатомическому строению и функциям семядоли имеют эллиптическую форму и темно-зелёный цвет, отличаясь от настоящих листьев, образующихся на конусе нарастания побега.
На фиг. 3 показана схема измеряемых БП семядолей растения кабачка. Статистический анализ показал, что флуктуирующий характер имеет асимметрия только длин семядолей, этот признак был принят за основу при вычислении индекса ФА.
С помощью предлагаемого метода оценки действия ОИ выявлено, что спектру излучения, при котором наблюдаются меньшие значения ФА (большая стабильность развития растения) соответствует большая продуктивность (фиг. 4). При увеличении доли дальнекрасного излучения с 3,0 % до 27 % от энергии ФАР величина ФА уменьшается на 29,3 %. При этом наблюдается увеличение показателей продуктивности растений – массы растения на 1,3 %, длины настоящего листа на 18,4 %. Это свидетельствует о большей эффективности спектра источника света №2.
.
-
-1
Пример 3. Способ оценки действия ОИ на растения по ОП семядолей осуществляли при выращивании на микрозелень дайкона (Raphanus sativus) сорта Миноваси РС. Растения выращивали в искусственных условиях, при температуре воздуха +20°С и влажности 70 %. Фотопериод составлял 16 ч в сутки, облученность 100 мкмольм2⋅с. Использовали два типа источников света на светодиодах с фиксированным спектром. У источника №3 присутствовала большая доля зеленого излучения, у источника №4 она практически отсутствовала, однако увеличена доля излучения в красном и дальнекрасном диапазонах. Содержание синего излучения у источников было практически равным. Задачей являлось оценить действие ОИ с различным спектральным составом на растения дайкона.
В конце эксперимента, на восьмые сутки, в качестве биометрических показателей фиксировали массу растения и длину гипокотиля, в качестве БП фиксировали спектральные ОП семядолей в синем (, ), зеленом  (, )  и красном ( , ) диапазонах соответственно для левой и правой семядоли. ОП измеряли на денситометре ДП-1М, выделяя их соответствующими светофильтрами.
Семядоли дайкона имеют обратно-сердцевидную форму. На фиг. 5 показана схема измеряемых БП семядолей растения дайкона. Выявлено, что ФА, определяемая по ОП семядолей в отдельных спектральных диапазонах является информативным показателем стабильности развития.
Большая стабильность развития проростков дайкона (меньшие значения ФА) наблюдалась под спектром, излучаемым источником №4, с повышенной долей красного и дальнекрасного потока, при котором и продуктивность растения (по сырой массе семядолей) так же большая (фиг.6). Это свидетельствует о большей эффективности спектра источника света №4.
Необходимость оценки состояния растения по стабильности развития в организации биомониторинга в последнее время становится все более актуальной. Применение данного метода к растениям, выращиваемым в условиях светокультуры, является перспективным для комплексной оценки качества световой среды, создаваемой источниками излучения. Кроме того, использование данного способа позволяет выбрать наиболее оптимальные источники света для их применения в светокультуре по критерию минимального значения показателя ФА БП растений.