Способ активации проращивания семян свеклы столовой гидротермальным нанокремнеземом при светодиодном освещении
METHOD FOR ACTIVATING THE GERMINATION OF TABLE BEET SEEDS WITH HYDROTHERMAL NANOSILICA UNDER LED LIGHTING

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к растениеводству, может найти применение для повышения всхожести семян, в селекции с использованием искусственного освещения и расширении области применения гидротермального нанокремнезема в технологиях получения пророщенных семян свеклы столовой и получения ее микрозелени.
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 на свету, рассматривается в стандарте только естественное освещение.  В соответствии с указанным ГОСТ для семян свеклы столовой определение всхожести семян регламентировано на 10-е сутки при проращивании в темноте.
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.
2
2
Известен способ фотостимуляции растений в теплице путем облучения растений в ультрафиолетовом диапазоне УФ-В длин волн в течение всего времени вегетации и разовыми дозами облучения 3-25 Вт/мв пределах 50-120 Дж/мв течение 3-20 сек с периодичностью 1 раз в 1-4 суток. При этом авторы делают акцент на снижение числа микроорганизмов в теплице, и на поверхности растений, при таких режимах с минимальным негативным воздействием на инициирование окислительных процессов, сказывающихся на продуктивности растений (патент № 2674599, опубликован 11.12.2018 Бюл.№35. МПК А01G7/04, А01G9/20).
Авторы не рассматривают вопросы первичного этапа проращивания семян растений, а предложенный диапазон жесткого УФ спектра, средние уровни интенсивности и временные диапазоны с кратностью запуска светового излучения рассматривают как воздействие на микрофлору растений для обеззараживания, что и является одним из факторов улучшения выращивания в теплице.
Также известна система искусственного фитоосвещения, которая позволяет использовать светодиодный светильник с реализацией его возможностей использования спектров излучения синего, красного, дальнего красного света в соотношении 1:3:1 (патент РФ № 2723725, опубликован 17.06.2020 Бюл.№17. МПК А01G9/20, A01G 7/04, F21S 2/00).
Авторы за счет набора светодиодов с реализацией максимальных интенсивностей и возможностей использования конкретного набора светодиодов широкого диапазона излучения предлагают унификацию своей системы освещения для широкого ряда растительных культур в теплицах. При этом, авторы не учитывают особенности специфичности первичного отклика генома разных растений на спектры освещения и интенсивности пучков фотонов первой стадии проращивания до начала истинного фотосинтеза после формирования истинных первых 4-х листьев растений. Число вариаций реализации таких систем освещения при определении оптимума для конкретного растения составляет огромное количество, и ориентация на спектры поглощения света для фотосинтеза может оказаться малоприемлемым на стадии проращивания и формирования первичных всходов в виде микрозелени.
Известно, что влияние света на этапе прорастания семян мало связано с интенсивностью фотосинтеза, т.к. фотосинтетический аппарат – листья растений, еще не сформированы. Вопрос об использовании вышеперечисленных подходов реализации искусственного освещения, например, для свеклы столовой остается открытым.
В исследованиях многих авторов отмечается генетическая специфичность генома разных растений на спектры искусственного освещения и интенсивности пучков фотонов при фотосинтезе сформированного аппарата листьев растений, не говоря о первой стадии проращивания до начала истинного фотосинтеза, где воздействие активационного фактора наночастиц при одновременном воздействии фотонов разной интенсивности малоизучено.
2
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому объекту является способ активации проращивания семян применительно к сельскохозяйственной технической культуре сахарной свекле с использованием проращивания семян при комнатной температуре и увлажнении с получением первичной микрозелени и применением в качестве источника света монохроматического непрерывного освещения светодиодами синего света с длиной волны 440 нм или зеленого света  длиной волны 525 нм при генерации фотонов низкой интенсивности в диапазоне 6,52 - 1,44 мкмоль/(м⋅с) на уровне подложки с семенами (RU  2742535 C1, 08.02.2021).
Воздействие других концентраций ГНК на семена свеклы столовой при проращивании при низкоинтенсивном монохроматическом освещении светодиодными излучателями на практике не известно.
Технический результат
– расширение возможностей использования светодиодного освещения от УФ- до красной области в вариантах монохроматического излучения низкой интенсивности в комбинации с предпосевной обработкой семян гидротермальным нанокремнеземом определенной концентрации для селекции новых биотипов растений, повышения энергии прорастания и всхожести семян свеклы столовой, продуктивности ее ростков при 10-суточном проращивании и получения первичной микрозелени.
Техническое решение
2
2
2
2
заявленного объекта заключается в том, что, в отличие от прототипа, семена свеклы столовой перед посевом предварительно замачивают 120 минут в водном золе гидротермального нанокремнезема с концентрацией 0,05% с последующим посевом и 10-суточным проращиванием в стандартных условиях при комнатной температуре и увлажнении семян с применением в качестве источников света монохроматического непрерывного освещения светодиодами УФ-света с длиной волны 380 нм, или синего света с длиной волны 440 нм,  или зеленого света с длиной волны 525 нм, или красного света с длиной волны 660 нм при генерации фотонов низкой интенсивности 0,44 мкмоль/(м⋅с), 6,52 мкмоль/(м⋅с), 1,44 мкмоль/(м⋅с) и 2,36 мкмоль/(м⋅с), соответственно, на уровне подложки с семенами с получением первичной микрозелени.
Способ осуществляют следующим образом.
В способе используют водный золь гидротермального нанокремнезема (ГНК), который получают из природных гидротермальных растворов Мутновского месторождения Камчатки (производство ООО «Наносилика»).  В испытаниях использовали исходный водный золь ГНК  с концентрацией по кремнезему 2,5 %,  Для обработки семян  исходный золь ГНК разводили дистиллированной водой до рабочей концентрации  0,05% по кремнезему, в котором замачивали семена опытных вариантов.  В приготовленном рабочем водном золе гидротермального нанокремнезема отсутствуют токсические вещества, что придает предлагаемому решению более высокую экологичность и биодоступность  для семян, в частности, к эндосперму и позволяет интенсифицировать  процесс проращивания семян не только в темноте  для решения различных биотехнологических и селекционных задач.
Параметры размеров наночастиц преимущественно диапазона 10-20 нм достигаются возможностями ультрафильтрационного оборудования и технологиями проведения поликонденсации ортокремневой кислоты гидротермальных растворов Мутновского месторождения. Это позволяет обеспечить качественную обработку семян растений.
2
°
2
2
2
2
В качестве объекта проверки использовали семена свеклы столовой сорт Жуковчанка селекции ВНИИО – филиала ФГБНУ ФНЦО. Проращивание семян свеклы столовой осуществляли в соответствии с ГОСТ 12038-84 «Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести. - М., Стандартинформ, 2011»  с модификацией методики, а именно: вместо фильтровальной бумаги использовали подложку из минеральной ваты в виде пластин 10*20 см (200 см). Количество семян 2,0 г, повторность трехкратная. Полив проводили дистиллированной водой по мере подсыхания подложки при  температуре 22-23С. В качестве контроля использовали проращивание в темноте после обработки семян в течение 120 минут дистиллированной водой путем замачивания. Для 4-х опытных вариантов после замачивания семян в водных золях 0,05 % ГНК проводили посев семян на минеральные подложки и использовали для постоянного освещения в течение 10 суток для проращивания и получения микрозелени низкоэнергетические светодиодные точечные монохроматические источники ультрафиолетового (СД УФ), синего (СД СС), зеленого (СД ЗС) и красного (СД КС) света с длинами волн 380 нм, 440 нм, 525 нм и 660 нм с интенсивностью 0,44 мкМоль/м·с, 6,52 мкМоль/м·с, 1,44 мкМоль/м·с и 2,36 мкМоль/м·с, соответственно, на уровне подложки с семенами.
На 5-е сутки определяли энергию прорастания семян, на 10-е сутки определяли всхожесть семян в контрольных и опытных вариантах, определяли  средние их значения по 3-м повторностям. Измеряли высоту, сырую биомассу 100 ростков в вариантах. Оценивали эффективность продуктивности роста растений свеклы столовой за 10 суток (эффективная продуктивность) как количественный показатель отношения значения  средней биомассы по 100 проросткам  микрозелени к значению средней высоты по 100 проросткам для каждого варианта (в г/см) а также в процентах по отношению к контрольному показателю проращивания в темноте.
Результаты испытаний вариантов реализации способа приведены в таблицах 1, 2 и 3.
Применение предложенного способа с использованием разных спектров светодиодных источников УФ (СД УФ), синего (СД СС), зеленого (СД ЗС) и красного (СД КС) света с длинами волн 380, 440 нм, 525 нм и 660 нм, соответственно, при проращивании семян при монохроматическом непрерывном освещении с предварительной обработкой семян гидротермальным нанокремнеземом ведет к повышению энергии прорастания и всхожести относительно контроля для всех вариантов монохроматического низкоэнергетического воздействия на семена свеклы  столовой (таблица 1).
Таблица 1. Энергия прорастания (5-е сутки) и всхожесть (10-е сутки) семян свеклы столовой  сорта  Жуковчанка после их обработки 0,05 %-ным водным золем ГНК при вариантах светодиодного монохроматического освещения низкой интенсивности получения микрозелени
Вариант опыта
Энергия, %
Изменение энергии относитительно контроля, %
Всхожесть,%
Изменение всхожести относительно контроля, %
Проращивание семян в темноте - контроль
79,4
-
97,2
-
Проращивание семян при постоянном освещении СД УФ 380 нм, 0,44 мкМоль/м<sup>2</sup>·с
81,5
+2,6
98,4
+1,2
Проращивание семян при постоянном освещении СД СС 440 нм, 6,52 мкМоль/м<sup>2</sup>·с
85,7
+7,9
98,9
+1,7
Проращивание семян при постоянном освещении СД ЗС 525 нм, 1,44 мкМоль/м<sup>2</sup>·с
84,9
+6,9
98,8
+1,6
Проращивание семян при постоянном освещении СД КС 660 нм, 2,36 мкМоль/м<sup>2</sup>·с
83,8
+5,5
98,2
+1,0
Для всех вариантов освещения наблюдается снижение  высоты ростков на 10-е сутки от 13,3 % (для СД ЗС) до 35,2 % (для СД КС) относительно контроля (табл. 2).  Таким образом, высота ростков для всех  испытанных вариантов низкоэнергетического монохроматического облучения семян дает эффект получения  низкорослых ростков с зеленой окраской в отличие от контроля, отличающегося этиолированностью ростков и их вытянутостью. Эти данные говорят о возможности формирования низкорослых биотипов ростков и микрозелени свеклы столовой во всех вариантах освещения в комбинации с предпосевной обработкой водным золем 0,05 % ГНК. Для варианта СД УФ и СД СС наблюдается повышение  продуктивности ростков свеклы столовой (массы ростков). Только для  вариантов  СД ЗС и СД КС наблюдается незначительное снижение усредненной массы одного ростка на 10-е сутки проращивания на 8,4 % и 6,5 %, соответственно,  относительно контроля (табл. 2).
Таблица 2.  Высота (см) и продуктивность  (масса 1 ростка, г) ростков за 10 суток проращивания семян свеклы столовой (сорт Жуковчанка) после их обработки 0,05 %-ным водным золем ГНК и в вариантах светодиодного монохроматического освещения низкой интенсивности..
Вариант опыта
Высота ростков на 10-е сутки,     см
Изменение высоты ростка к контролю, %
Усредненная масса  ростка,M *10<sup> -2</sup> г
Изменение массы ростка относительно к контролю, %
Проращивание семян в темноте - контроль
10,5
-
4,65
-
Проращивание семян при постоянном освещении СД УФ 380 нм, 0,44 мкМоль / м<sup>2</sup>·с
7,8
- 25,7
4,95
+6,5
Проращивание семян при постоянном освещении СД СС 440 нм, 6,52 мкМоль / м<sup>2</sup>·с
7,9
-24,8
5,60
+20,4
Проращивание семян при постоянном освещении СД ЗС 525 нм, 1,44 мкМоль / м<sup>2</sup>·с
9,1
-13,3
4,26
-8,4
Проращивание семян при постоянном освещении СД КС 660 нм, 2,36 мкМоль / м<sup>2</sup>·с
6,8
-35,2
4,35
- 6,5
Однако, эффективность испытанных вариантов монохроматического непрерывного излучения низкой интенсивности можно сопоставить по количественному показателю  эффективности продуктивности проростков семян свеклы столовой как отношение усредненной массы ростка к  его длине, что характеризует прирост массы на 1 см роста растений за 10 суток для каждого варианта получения микрозелени.  Контроль дает этиолированные бесцветные (безхлорофильные) ростки. Расчетные данные прироста массы ростков  на каждый 1 см их роста за 10 дней приведены в таблице 3.
Как видно из табл. 3 расчетный показатель эффективности продуктивности роста во всех вариантах реализации способа превосходит контроль как по абсолютному показателю массы прироста ростка на 1 см роста в течение 10 дней получения микрозелени, так и по относительному показателю в % от расчетных данных контроля получения проростков в темноте. Для вариантов СД УФ,  СД СС, СД ЗС и СД КС  относительные показатели эффективности вариантов способа превосходят контроль на 43,2 %,  61,4 %, 6,8 % и 45,5 %, соответственно, При этом зеленый цвет ростков испытанных вариантов способа подтверждает наличие хлорофилла в проростках и новое качество ростков по сравнению с бесцветными этиолированными проростками контроля (табл. 3).
Таблица 3. Эффективность прироста микрозелени относительно контроля (продуктивность  / высота ростков, г/см) за 10 суток для свеклы столовой, сорт Жуковчанка после их обработки 0,05 %-ным водным золем ГНК и в вариантах светодиодного монохроматического освещения низкой интенсивности.
Вариант опыта
Эффективность продуктивности роста =масса ростка/  высота ростка,N *10<sup> -2</sup>   г/см
Относительный показатель эффективности продуктивности,(N/ N<sub>контроль</sub><sup></sup>– 1) * 100, %
Проращивание семян в темноте - контроль
0,44
-
Проращивание семян при постоянном освещении СД УФ 380 нм, 0,44 мкМоль / м<sup>2</sup>·с
0,63
+43,2
Проращивание семян при постоянном освещении СД СС 440 нм, 6,52 мкМоль / м<sup>2</sup>·с
0,71
+61,4
Проращивание семян при постоянном освещении СД ЗС 525 нм, 1,44 мкМоль / м<sup>2</sup>·с
0,47
+6,8
Проращивание семян при постоянном освещении СД КС 660 нм, 2,36 мкМоль / м<sup>2</sup>·с
0,64
+45,5
2
2
2
2
Таким образом, реализация предлагаемого  способа с применением предпосевной обработки семян свеклы столовой водным золем ГНК концентрации 0,05 % с последующим постоянным монохроматическим светодиодным освещением источником СД УФ 380 нм (интенсивность излучения 0,44 мкМоль/м·с), СД СС 440 нм (интенсивность излучения 6,52 мкМоль/м·с),  или СД ЗС 525 нм (интенсивность излучения 1,44 мкМоль/м·с), или СД КС 660 нм (интенсивность излучения 2,36 мкМоль/м·с) позволяет повысить энергию прорастания и всхожесть  семян свеклы столовой, а также получать за 10 суток первичную микрозелень  для здорового питания и использовать этот подход в селекции свеклы столовой для получения новых биотипов растений.