All-Russian Research Institute of Medicinal and Aromatic Plants
Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
UDK 633.853.494 Рапс. Brassica campestris var. oleifera
In order to study the effect of low-energy monochrome radiation on the germination of rapeseed of the new variety Antares, the authors used light-emitting diodes of blue (440 nm), green (525 nm), red (660 nm) and far red (730 nm) light, as well as those of UV-A radiation (380 nm) with an intensity of 0.367–6.904 µmol/m2* s on different spectra. Different types of monochrome radiation affected the germination of seeds and the growth of sprouts in different ways. According to the indicators of germination energy, seed germination, weight of 100 sprouts, and yield of green mass, the best results were obtained when germinating using the green light. Based on experimental data, the patent was issued for the invention “The activation method of rapeseed germination under monospectral illumination”. Irradiation of seeds with the monochrome far-red light significantly reduced the germination ability and yield of sprouts.
rapeseed, monochromatic radiation, radiation spectrum, photons, seeds, germination, seed germination ability
Введение
В последние десятилетия в связи с развитием светодиодных технологий появляется возможность использовать монохромные источники освещения [1]. К тому же развиваются системы выращивания растений в контролируемых условиях проведения эксперимента не только по параметрам освещенности, но и по температурно-влажностному режиму, газовому составу воздуха и другим параметрам. В России эти технические системы наиболее известны под термином фитотроны. В последние годы появились и модификации фитотронов для решения вопросов выращивания растений для космического питания и медицины [2], а также класс фитотронов – синерготроны с программно-управляемыми параметрами, включая и режимы освещения светодиодными источниками света [3].
При досвечивании растений используются разные варианты освещения, в том числе комбинированным светом с включением в световой поток полихромного освещения красного (далее – СД КС), синего (далее – СД СС) и зеленого (далее – СД ЗС) света [4]. Как правило, искусственное освещение рассматривается с точки зрения повышения интенсивности фотосинтеза и продуктивности растений на разных этапах онтогенеза. Роль отдельных спектров для фотосинтеза и морфогенеза растений широко изучалась [5]. В целом признано, что растениям необходим широкий спектр солнечного излучения, однако роль разных участков спектра различается [6]. Кроме того, постепенно накапливаются новые знания, например, о морфогенетической роли зеленого спектра, традиционно не считающегося эффективным для фотосинтеза [7, 8].
Как известно, на ранних фазах онтогенеза, в частности, при прорастании семян, рост происходит в значительной мере за счет запасных питательных веществ и только после образования первого настоящего листа и увеличения листовой поверхности начинается активная фотоассимиляция [1, 9]. Роль светового фактора заключается не только в обеспечении энергией процесса фотосинтеза, но и в регуляции морфофизиологических процессов в растительных организмах. Растения используют эту информацию для регулирования роста и развития, активности многих метаболических процессов. В отличие от фотосинтеза, на морфогенез оказывает активное влияние не только высокоэнергетическое освещение, но и низкоэнергетическое [10, 11].
Известно, что влияние света на этапе прорастания семян мало связано с интенсивностью фотосинтеза, так как фотосинтетический аппарат – листья растений, еще не сформирован. В ряде работ изучено влияние спектров света на прорастание семян [6]. Например, наиболее эффективным для реализации проращивания семян лекарственных растений белладонны и паслена оказался вариант с красным освещением семян при проращивании [12]. Тем не менее обычно используют стандартные высокоэнергетические фитосветильники, и не всегда четко выделяют именно монохромные составляющие. Таким образом, представляет интерес изучение растений на ранних этапах онтогенеза – прорастания семян и роста ростков до образования первого настоящего листа [13, 14].
Цель настоящей работы – изучение влияния непрерывного монохроматического излучения на прорастание семян. В качестве модельной культуры использовали семена рапса нового перспективного сорта Антарес [15].
Материалы и методы
Объектом исследований являлись семена и ростки ярового рапса Brassica napus L. (сорт Антарес). Сорт Антарес получен в Липецком НИИ рапса В. В. Карпачевым, В. И. Горшковым, А. Н. Власовой и С. И. Манаенковым. Включен в Госреестр в 2019 г., рекомендован по Центральному (3), Волго-Вятскому (4), Центрально-Черноземному (5), Средневолжскому (7), Уральскому (9), Западно-Сибирскому (10), Восточно-Сибирскому (11), Дальневосточному (12) регионам. Сорт 00 типа (безэруковый, низкоглюкозинолатный). Среднеспелый. Вегетационный период – 95–105 дней. Масса 1 тыс. семян – 3.4–4.3 г. Растение, включая боковые ответвления, средней длины. Высота растений – 90–105 см, высота прикрепления нижней ветви – 28–45 см. Лист зеленый, средней длины, средней ширины. Лепесток желтый, средней длины, средней ширины – широкий. Стручок без носика, носик, цветоножка средней длины. Средняя урожайность – 1.13 т/га, рекордная зафиксированная – 2.38 т/га. Содержание жира – 38.6–47.1 %, на уровне стандарта или выше на 2.4 (5 регион) – 4.1 % (12 регион). Устойчивость к полеганию – 4.2-5.0 балла, к осыпанию – 4.1–5.0 балла [16, 17].
Посев проводили в блоки минеральной ваты «Гродан» размером 20х20 см. Высевали по 100 шт. семян на блок. Масса 1 тыс. семян рапса сорта Антарес в эксперименте составила 4.1 г. Полив проводили дистиллированной водой без использования удобрений по мере подсыхания подложки. Температура воздуха постоянная: + 20...+22 оС при относительной влажности 70–80 %.
В работе применяли светодиодное монохроматическое освещение низкой интенсивности (0.367–6.904 мкмоль/м2с), создаваемое в климатических устройствах «Синерготрон-мини» конструкции АНО «Институт стратегий развития» [3]. Освещение непрерывное, 24 ч/сутки. Световые режимы проращивания семян в эксперименте приведены в таблице. Спектры облучения определяли на спектрометре PG 100 N компании UPRtek, Тайвань. Для сравнения семена проращивали также в темноте.
Результаты и их обсуждение
Рапс относится к быстровсхожим культурам с высокими показателями энергии прорастания и всхожести семян. Согласно ГОСТ 12038-84 «Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести», проращивание проводят в темноте, энергию прорастания семян определяют на третьи сутки, всхожесть – на седьмые. В эксперименте показатель энергии прорастания в контроле (темнота) составил 88.2 % (рис. 1).
Обращает внимание разная реакция прорастающих семян рапса на монохромное излучение. Сопоставимы с контролем варианты облучения 380, 440, 660 нм (УФ-А, синий, красный спектры). Зеленый свет (525 нм) стимулировал прорастание (на 6.6 % выше контроля), дальний красный (730 нм) значительно ослаблял (до уровня 5.6 % проросших семян на третьи сутки проращивания).
Основная часть семян рапса сорта Антарес в эксперименте проросла на третьи сутки проращивания, и к требуемой дате определения всхожести, по ГОСТ (седьмые сутки), количество дополнительно проросших семян было небольшое (рис. 2). Закономерности воздействия монохроматического излучения на всхожесть аналогичны показателям воздействия на энергию прорастания семян. Всхожесть в варианте облучения зеленым светом (525 нм) выше контроля (проращивание в темноте) на 6.4 % (энергия прорастания выше на 6.6 %). Значительно снижена всхожесть после облучения дальним красным светом.
Максимальная высота ростков как в начальный период проращивания (на третьи сутки), так и в завершающий (на седьмые сутки) отмечалась при проращивании в темноте (рис. 3). Однако это связано с образованием этиолированных побегов из-за отсутствия освещения. Ростки слабо окрашены, почти белые из-за малого количества или отсутствия хлорофилла, вытянутые. При освещении ростки лучше развивались при зеленом свете (525 нм), тогда как при облучении 730 нм высота ростков более чем в два раза меньше, чем при облучении 525 нм на седьмые сутки проращивания. При сравнении высоты ростков на третьи и седьмые сутки проращивания по всем вариантам отмечено не менее чем двукратное увеличение (за четверо суток вегетации). Исключение – вариант облучения 730 нм, когда на третьи сутки высота составила 4.5 см, а на седьмые – только 6.1 см. Вероятно, в течение первых трех суток активно расходуются запасные питательные вещества семени, тогда как в дальнейшем переход на фотосинтетическую деятельность затруднен.
Результирующими показателями при выращивании зеленой массы ростков являлись масса 100 ростков и выход зеленой массы с единицы площади. Масса ростков максимальна в варианте темнового проращивания, однако выход зеленой массы выше при облучении зеленым светом (525 нм), вероятно, вследствие более высокой всхожести семян и формирования большего количества растений на единицу площади (рис. 4 и 5).
Очень низкая урожайность при облучении дальним красным светом (730 нм) связана прежде всего с низкой всхожестью и малым количеством растений на единицу площади. Однако масса 100 ростков тоже уступает другим вариантам эксперимента.
Классические представления о спектрах фотосинтетической активности (кривая Дж. МакКри) подчеркивают роль синего и красного спектров для фотосинтеза [5, 18]. В то же время для фотоморфогенеза зеленый свет оказывается важным [7, 8]. В настоящем исследовании с низкоэнергетическим монохромным облучением прорастающих семян рапса показана стимулирующую роль зеленого спектра при ослаблении ростовых процессов при облучении дальним красным светом. Экспериментальные результаты исследований воздействия монохроматического излучения низкоэнергетической интенсивности потока фотонов прошли экспертизу в Роспатенте, зарегистрирован патент на изобретение «Способ активации проращивания семян рапса при моноспектральном освещении» [19].
Заключение
Проведенные исследования позволяют расширить возможности использования светодиодного освещения в варианте монохроматического спектра зеленого света, определять параметры длины волны и излучения для повышения всхожести семян рапса и качества проростков (высоты ростков) и урожайности. Способ активации проращивания с использованием низкоэнергетического зеленого света с длиной волны 525 нм относится к области сельского хозяйства и может найти применение при повышении всхожести семян растений в растениеводстве, в селекции и расширении области применения в технологиях получения пророщенных семян рапса для здорового питания. Также способ может найти применение в селекционных работах по отбору высокопродуктивных биотипов, отзывчивых на монохроматическое излучение, а также в практическом семеноводстве и технологиях получения пророщенных семян растений для здорового питания.
1. Mitchell, C. A. LED advancements for plant-factory artificial lighting / Cary A. Mitchell, Fatemeh Sheibani // Plant Factory. An Indoor Vertical Farming System for Efficient Quality Food Production. - New York, Acad. Press, 2020. - P. 167-184. URL: https://doi.org/10.1016/B978-0-12-816691-8.00010-8.
2. Konovalova, I. O. Obosnovanie optimalnyh rezhimov osveshcheniya rastenij dlya kosmicheskoj oranzherei “Vitacikl-T” [Substantiation of the optimal illumination modes of plants for the Vitacycle-T space greenhouse] / I. O. Konovalova, Yu. A. Berkovich, A. N. Erokhin, S. O. Smolyanina, O. S. Yakovleva [et al.] // Aviakosm. and ecol. med. [Aerospace and Environmental Medicine] - 2016. - Vol. 50. - № 4. - P. 28-36.
3. Zelenkov, V. N. Creating closed technobioecosystems (synergotron class) as a modern direction of using digital technologies for the development of Agrarian Science and solving tasks of the agrarian-industrial complex of Russia / V. N. Zelenkov, P. A. Vernik, V. V. Latushkin // IOP Conf. Series : Earth and Environmental Science.- 274 (2019) 012101 IOP Publishing doihttps://doi.org/10.1088/1755-1315/274/1/.
4. Kuryanova, I. S. Ocenka vliyaniya razlichnyh spektrov svetodiodnogo svetilnika na rost i razvitie ovoshchnyh kultur [Evaluation of the different spectra of the light emitting diode fixture on the growth and development of vegetables] / I. S. Kuryanova, S. I. Olonina / / Bulletin of the NGIEI. - 2017. - №7 (74). - P. 35-44.
5. Tikhomirov, A. A. Svetokultura rastenij : biofizicheskie i biotekhnologicheskie osnovy [Light culture of plants : biophysical and biotechnological foundations] / A. A. Tikhomirov, V. P. Sharupich, G. M. Lisovsky. - Novosibirsk : Publishing House of the Siberian Branch of RAS, 2000. - 213 p.
6. Hernández, R. Physiological responses of cucumber seedlings under different blue and red photon flux ratios using LEDs / R. Hernández, C. Kubota // Environmental and Experimental Botany. - January 2016. - Vol.121. - P. 66-74. URL: https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2015.04.001.
7. Shein, E. V. Agrofizika [Agrophysics] / E. V. Shein, V. M. Goncharov. - Vladimir : Publishing House of the Vladimir State University, 2014. - 92 p.
8. Claypool, N. B. Physiological responses of pepper seedlings to various ratios of blue, green, and red light using LED lamps / N. B. Claypool, J. H. Lieth // Scientia Horticulturae. - 2020. - Vol. 268. - P. 109. URL: https://doi.org/10.1016/j.scienta.2020.109371.
9. Izzo, L. G. The role of monochromatic red and blue light in tomato early photomorphogenesis and photosynthetic traits / Luigi Gennaro Izzo, Bruno Hay Mele, Luca Vitale, Ermenegilda Vitale, Carmen Arena // Environmental and Experimental Botany. - November 2020. - Vol. 179. - P. 104195. URL: https://doi.org/10.1016/j.envexpbot.2020.104195.
10. Passarella, S. Absorption of monochromatic and narrow band radiation in the visible and near IR by both mitochondrial and non-mitochondrial photoacceptors results in photobiomodulation / Salvatore Passarella, Tiina Karu // Journal of Photochemistry and Photobiology. B : Biology. - November 2014. - Vol.140. - P. 344-358. URL: https://doi.org/10.1016/j.jphotobiol.2014.07.021.
11. Landi, M. Plasticity of photosynthetic processes and the accumulation of secondary metabolites in plants in response to monochromatic light environments : A review / Marco Landi, Marek Zivcak, Oksana Sytar , Marian Brestic, Suleyman I. Allakhverdiev // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics. - 1 February 2020. -Vol. 1861. - Issue 2. - P. 148131.
12. Svistunova, N. Yu. Vliyanie razlichnyh uslovij na vskhozhest semyan nekotoryh lekarstvennyh rastenij posle dlitelnogo hraneniya [The influence of various conditions on the germination of seeds of some medicinal plants after long-term storage] / N. Yu. Svistunova, P. S. Savin // Idei N. I. Vavilova v sovremennom mire [N. I. Vavilov’s Ideas in the Modern World] : Proceedings of IV Vavilov International Conference. Saint Petersburg, November 20-24, 2017. - Saint Petersburg : VIR, 2017. - P. 149.
13. Grant, R. H. Partitioning of biologically active radiation in plant canopies / R. H. Grant // Int. J. Biometeorol. - 1997. - 40. - P. 26-40.
14. Franklin, K. A. The signal transducing photoreceptors of plants / K. A. Franklin, V. S. Larner, G. C. Whitelam // Int. J. Dev. Biol. - 2005. - 49. - P.653-664.
15. Karpachev, V. V. Raps yarovoi. Osnovy selektsii [Spring rape. Fundamentals of breeding] / V. V. Karpachev. - Lipetsk : GNU VNIPTI rapsa, 2008. - 236 p.
16. State register of breeding achievements approved for use. Volume 1. “Plant varieties” (official publication). - Moscow : Rosinformagrotech, 2022. - 646 p.
17. Catalog of varieties of oilseed cabbage crops of the All-Russian Rape Research Institute : spring rapeseed, spring turnip rapeseed, winter turnip rapeseed, white mustard, oilseed radish / Endorsed by Doctor of Agriculture Professor V. V. Karpachev. - Lipetsk : FGBNU Research Institute of Rapeseed, 2019. - 48 p.
18. Martirosyan, Yu. Ts. Dinamika fotosinteticheskih processov v usloviyah peremennogo spektralnogo oblucheniya rastenij [Dynamics of photosynthetic processes under conditions of variable spectral irradiation of plants] / Yu. Ts. Martirosyan, L. Yu. Martirosyan, A. A. Kosobryukhov. - Selskokhozyaistvennaya biologiya [Agricultural Biology]. - 2016. - Vol. 51. - № 5. - P. 680-687.
19. RU 2742611C1 Method for activating the germination of rapeseeds under monospectral illumination. Application : 2020130025, 11.09.2020 // V. N. Zelenkov, V. V. Latushkin, V. V. Karpachev, P. A. Vernik.
