Способ активации проращивания семян свеклы столовой при светодиодном освещении
Владельцы патента RU 2779421:
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный центр овощеводства" (RU)
Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к растениеводству. Предложен способ активации проращивания семян свеклы столовой при светодиодном монохроматическом освещении, включающий посев семян свеклы столовой с плотностью посева 2 г семян на пластины 10×20 см с применением в качестве источников света монохроматического освещения светодиодов ультрафиолетового света с длиной волны 380 нм или красного света с длиной волны 660 нм при световой плотности фотонов на уровне подложки с семенами в 0,44 мкМоль/м2⋅с и 2,36 мкМоль/м2⋅с, соответственно. Изобретение обеспечивает повышения энергии проращивания, всхожести семян свеклы столовой, эффективности продуктивного роста. 3 табл.
Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности, к растениеводству, и может найти применение в селекции при отборе перспективных генотипов растений отзывчивых на искусственное светодиодное освещение и в технологиях получения пророщенных семян свеклы столовой и их микрозелени для здорового питания.
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 свеклы столовой 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 (патент РФ № 2601055, опубл. 27.10.2014, Бюл. №30).
Характер воздействия светодиодного облучения растений на фотосинтетический аппарат, ростовые процессы в различных временных интервалах и, особенно, в первый период вегетации – проращивания семян, где наряду с первичным гетеротрофным механизмом питания идет формирование и переход на автотрофное питание молодых проростков семян растений, остается во многом не исследованным и специфичным в зависимости от вида растений.
Аналогом предлагаемого решения является исследование в ВНИИ лекарственных и ароматических растений при рассмотрении фактора освещения при проращивании семян лекарственных растений с длительным периодом покоя, что снижает эффективность их применения в лекарственном растениеводстве из-за низкой всхожести, как лабораторной, так и полевой. Авторы работы используют полные спектры излучателей красного и синего света при проращивании семян паслена и белладонны (Свистунова Н.Ю., Савин П.С. Влияние различных условий на всхожесть семян некоторых лекарственных растений после длительного хранения / Идеи Н.И. Вавилова в современном мире: тезисы докладов в IV Вавиловской международной конференции. - Санкт-Петербург, 20–24 ноября 2017 г., СПб.: ВИР, 2017, с. 149).
В известном способе авторы применяют спектры синего и красного освещения широкого диапазона и высокой энергетической составляющей генерируемых пучков фотонов. Наиболее эффективным для реализации проращивания семян лекарственных растений белладонны и паслена оказался вариант с красным освещением семян при проращивании. Однако авторы не указывают интенсивности освещения и точных длин волн красного и синего света, что является существенным для практической реализации способа в технологиях проращивания для других сельскохозяйственных культур. Это не позволяет применить приведенные данные авторов, например, для сельскохозяйственной культуры свеклы столовой при проращивании ее семян, получения проростков и микрозелени при светодиодном освещении.
Известно также использование светодиодных излучателей синего и зеленого света высокой энергетической составляющей генерируемых широкополосных пучков фотонов по длинам волн для выращивания растений, что не позволяет использовать эти данные для низкоэнергетических режимов светодиодного освещения для случая свеклы столовой при проращивании ее семян до получения первичной микрозелени (патент JP 3198211 U, 18.06.2015).
Известно также техническое решение (СN № 107105625 А, 29.08.2017), в котором используют облучение УФ лучами разными спектрами от жесткого до мягкого диапазона при снижении интенсивности облучения и варьирования временем облучения. Однако в этом способе для различных семян, включая свеклу, преимущественно решают технические задачи стерилизации семян при обработке, как на стадии проращивания, так и вегетирующих растений. Это позволяет устранить негативные биотические факторы снижения качества растений и их плодов.
Для сельскохозяйственной культуры свеклы известны 4 группы сортов и гибридов с различиями по химическому составу и фенотипическим характеристикам связанных с генотипом растений: свекла столовая, свекла кормовая, свекла сахарная, свекла салатная (мангольд).
Наиболее близким техническим решением – прототипом к предлагаемому способу является техническое решение по активации семян сахарной свеклы с использованием при проращивании семян монохроматического светодиодного облучения с низкой интенсивностью потока фотонов на уровне подложки с семенами (патент РФ № 2742535, опубл. 08.02.2021, Бюл. №4).
В настоящее время не существует достаточно данных по влиянию режимов светодиодного освещения с использованием фитоламп для растительных культур, не говоря об их применении при проращивании семян и формирования ростков с определенными показателями качества как основы последующего развития растения. Это - отличительная характеристика всех работ по изучению режимов светодиодного освещения на продукционный процесс конкретных растений, поскольку генетический фактор является основным фильтром по проявлению эффектов стимулирования или ингибирования жизненных процессов при формировании фотосинтеза в условиях первичного автотрофного питания ростков семян.
Технический результат - расширение возможностей использования светодиодного монохроматического освещения разными спектрами для повышения энергии прорастания, всхожести семян свеклы столовой, эффективности продуктивного роста для получения пророщенных семян и микрозелени, а также для селекционных работ по отбору новых биотипов растений.
Техническое решение заявленного объекта заключается в том, что в отличие от способа-прототипа проводят посев семян свеклы столовой с плотностью посева 2 г семян на пластины 10×20 см с применением в качестве источников света монохроматического освещения светодиодов ультрафиолетового света длиной волны 380 нм или красного света длиной волны 660 нм при световой плотности фотонов на уровне подложки с семенами в 0,44 мкМоль/м2⋅с и 2,36 мкМоль/м2⋅с, соответственно.
Способ осуществляют следующим образом.
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. В качестве контроля использовали проращивание в темноте. Для 4-х опытных вариантов использовали светодиодные точечные источники с монохроматическим светодиодным низкоэнергетическим освещением 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 и 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 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.
Таблица 1. Энергия прорастания (5-е сутки) и всхожесть (10-е сутки) семян свеклы столовой сорта Жуковчанка
| Вариант опыта | Энергия, % | Изменение энергии относительно 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 | 79,5 | +0,1 | 97,8 | +0,6 |
| Проращивание семян при постоянном освещении СД СС 440 нм, 6,52 мкМоль/м2⋅с | 82,8 | +4,3 | 98,8 | +1,6 |
| Проращивание семян при постоянном освещении СД ЗС 525 нм, 1,44 мкМоль/м2⋅с | 82,9 | +4,4 | 98,3 | +1,1 |
| Проращивание семян при постоянном освещении СД КС 660 нм, 2,36 мкМоль/м2⋅с | 82,1 | +2,7 | 97,3 | +0,1 |
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 ведет к повышению энергии прорастания и всхожести относительно контроля для всех вариантов монохроматического низкоэнергетического воздействия на семена свеклы столовой (таблица 1).
Для всех вариантов освещения наблюдается существенное снижение высоты ростков на 10-е сутки от 16,2% (для СД ЗС) до 41,0% (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.
Для варианта СД УФ наблюдается практически сохранение продуктивности ростков свеклы столовой, а для варианта СД СС - увеличение их продуктивности на 9,7% относительно контроля (табл. 2). Только для низкорослых вариантов СД ЗС и СД КС наблюдается снижение усредненной массы одного ростка на 10-е сутки проращивания (табл. 2) на 18,7% и 16,3%, соответственно, относительно контроля.
Таблица 2. Высота (см) и продуктивность (масса 1 ростка, г) ростков за 10 суток проращивания семян свеклы столовой (сорт Жуковчанка).
| 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 | 4,66 | +0,02 |
| Проращивание семян при постоянном освещении СД СС 440 нм, 6,52 мкМоль / м2⋅с | 7,5 | -28,6 | 5,1 | +9,7 |
| Проращивание семян при постоянном освещении СД ЗС 525 нм, 1,44 мкМоль / м2⋅с | 8,6 | -18,1 | 3,78 | -18,7 |
| Проращивание семян при постоянном освещении СД КС 660 нм, 2,36 мкМоль / м2⋅с | 6,2 | - 41,0 | 3,89 | - 16,3 |
Однако эффективность испытанных вариантов монохроматического непрерывного излучения низкой интенсивности можно сопоставить по количественному показателю эффективности продуктивности 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. Контроль дает этиолированные бесцветные (бесхлорофилльные) ростки. Расчетные данные прироста массы ростков на каждый 1 см их роста за 10 дней приведены в таблице 3.
Таблица 3. Эффективность прироста микрозелени относительно контроля (продуктивность / высота ростков, г/см) за 10 суток для свеклы столовой, сорт Жуковчанка
| 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 | 0,60 | +36,4 |
| Проращивание семян при постоянном освещении СД СС 440 нм, 6,52 мкМоль / м2⋅с | 0,68 | +54,5 |
| Проращивание семян при постоянном освещении СД ЗС 525 нм, 1,44 мкМоль / м2⋅с | 0,44 | 0 |
| Проращивание семян при постоянном освещении СД КС 660 нм, 2,36 мкМоль / м2⋅с | 0,63 | +43,2 |
Как видно из табл. 3 расчетный показатель эффективности продуктивности роста только в варианте СД ЗС реализации способа сопоставим с контролем. Для вариантов СД УФ, СД СС и СД КС показатель эффективности превосходит контроль на 36,4%, 54,5% и 43,2%, соответственно, по количественным критериям прироста биомассы микрозелени на 1 см ее роста за 10 дней, не говоря о качестве ростков, а именно, наличию зеленой окраски. Зеленый цвет ростков испытанных вариантов способа подтверждает наличие хлорофилла в проростках и новое качество ростков по сравнению с бесцветными этиолированными проростками контроля (табл. 3).
Таким образом, использование предлагаемого способа с применением низкоэнергетического излучения монохроматического светодиодного источника СД УФ 380 нм (интенсивность излучения 0,44 мкМоль/м2⋅с) или варианта 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 для получения новых биотипов растений.
Способ активации проращивания семян свеклы столовой при светодиодном монохроматическом освещении, включающий проращивание семян на подложке из минеральной ваты в виде пластин и увлажнением водой, по мере подсыхания подложки, до получения микрозелени при освещении светодиодами, генерирующими непрерывно фотоны низкой интенсивности, отличающийся тем, что проводят посев семян свеклы столовой с плотностью посева 2 г семян на пластины 10×20 см с применением в качестве источников света монохроматического освещения светодиодов ультрафиолетового света с длиной волны 380 нм или красного света с длиной волны 660 нм при световой плотности фотонов на уровне подложки с семенами в 0,44 мкМоль/м2⋅с и 2,36 мкМоль/м2⋅с, соответственно.
