Способ активации проращивания семян свеклы столовой гидротермальным нанокремнеземом при светодиодном освещении
Владельцы патента RU 2773367:
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный центр овощеводства" (RU)
Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к растениеводству, и может найти применение в селекции при отборе перспективных биотипов растений, а также в технологиях получения пророщенных семян и первичной микрозелени для здорового питания. Способ включает предпосевную обработку семян гидротермальным нанокремнеземом с использованием после посева светодиодного монохроматического освещения. Перед посевом семена предварительно замачивают 120 минут в водном золе гидротермального нанокремнезема c концентрацией 0,05% с последующим посевом и 10-суточным проращиванием в стандартных условиях при комнатной температуре и увлажнении семян. В качестве источников света применяют монохроматическое непрерывное освещение 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/(м2⋅с), 6,52 мкмоль/(м2⋅с), 1,44 мкмоль/(м2⋅с) и 2,36 мкмоль/(м2⋅с), соответственно, на уровне подложки с семенами с получением первичной микрозелени. Способ обеспечивает расширение возможностей использования светодиодного освещения от УФ-света до красной области с повышением энергии прорастания и всхожести семян свеклы столовой, продуктивности её ростков при 10-суточном проращивании, и получение первичной микрозелени. 3 табл.
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.
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/м2 в пределах 50-120 Дж/м2 в 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.
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/(м2⋅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 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/(м2⋅с), 6,52 мкмоль/(м2⋅с), 1,44 мкмоль/(м2⋅с) и 2,36 мкмоль/(м2⋅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.
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 см2). Количество семян 2,0 г, повторность трехкратная. Полив проводили дистиллированной водой по мере подсыхания подложки при температуре 22-23°С. 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/м2·с, 6,52 мкМоль/м2·с, 1,44 мкМоль/м2·с и 2,36 мкМоль/м2·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/м2·с | 81,5 | +2,6 | 98,4 | +1,2 |
| Проращивание семян при постоянном освещении СД СС 440 нм, 6,52 мкМоль/м2·с | 85,7 | +7,9 | 98,9 | +1,7 |
| Проращивание семян при постоянном освещении СД ЗС 525 нм, 1,44 мкМоль/м2·с | 84,9 | +6,9 | 98,8 | +1,6 |
| Проращивание семян при постоянном освещении СД КС 660 нм, 2,36 мкМоль/м2·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 -2 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 / м2·с | 7,8 | - 25,7 | 4,95 | +6,5 |
| Проращивание семян при постоянном освещении СД СС 440 нм, 6,52 мкМоль / м2·с | 7,9 | -24,8 | 5,60 | +20,4 |
| Проращивание семян при постоянном освещении СД ЗС 525 нм, 1,44 мкМоль / м2·с | 9,1 | -13,3 | 4,26 | -8,4 |
| Проращивание семян при постоянном освещении СД КС 660 нм, 2,36 мкМоль / м2·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 -2 г/см |
Относительный показатель эффективности продуктивности, (N/ Nконтроль – 1) * 100, % |
| Проращивание семян в темноте - контроль | 0,44 | - |
| Проращивание семян при постоянном освещении СД УФ 380 нм, 0,44 мкМоль / м2·с | 0,63 | +43,2 |
| Проращивание семян при постоянном освещении СД СС 440 нм, 6,52 мкМоль / м2·с | 0,71 | +61,4 |
| Проращивание семян при постоянном освещении СД ЗС 525 нм, 1,44 мкМоль / м2·с | 0,47 | +6,8 |
| Проращивание семян при постоянном освещении СД КС 660 нм, 2,36 мкМоль / м2·с | 0,64 | +45,5 |
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/м2·с), СД СС 440 нм (интенсивность излучения 6,52 мкМоль/м2·с), или СД ЗС 525 нм (интенсивность излучения 1,44 мкМоль/м2·с), или СД КС 660 нм (интенсивность излучения 2,36 мкМоль/м2·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.
Способ активации проращивания семян свеклы столовой, включающий предпосевную обработку семян гидротермальным нанокремнеземом с использованием после посева светодиодного монохроматического освещения, отличающийся тем, что перед посевом семена предварительно замачивают 120 минут в водном золе гидротермального нанокремнезема c 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/(м2⋅с), 6,52 мкмоль/(м2⋅с), 1,44 мкмоль/(м2⋅с) и 2,36 мкмоль/(м2⋅с), соответственно, на уровне подложки с семенами с получением первичной микрозелени.
