Результат интеллектуальной деятельности: Способ повышения всхожести семян и стрессоустойчивости сеянцев хвойных пород

Изобретение относится к области лесного хозяйства, а именно к способам предпосевной обработки семян хвойных пород, и может найти применение при искусственном лесовосстановлении.

Экологическое состояние окружающей среды в условиях меняющегося мирового климата обязывает пересмотреть мировую стратегию природопользования. Наибольший ущерб экологии с отдаленными последствиями наносит повсеместное сокращение лесных массивов (вырубки, пожары). О необходимости скорейшего лесовосстановления отмечено в Постановлении Правительства РФ №1509 от 2020 г. Проблема лесовосстановления обсуждалась на Саммите по климату (Глазго, ноябрь 2021 г.). Для воспроизводства лесных массивов требуются десятилетия, поэтому изучение различных подходов к ускорению выращивания древесных лесных культур особенно актуально.

Основными лесообразующими породами древесных культур являются ель и сосна. Фазой жизненного цикла их семян является состояние длительного покоя. Для ускоренного выведения семян из покоя и ускорения прорастания требуется определенная предпосевная обработка. Описаны различные способы ускорения прорастания семян: обработка холодом - стратификация, применение регуляторов роста, физические методы обработки, включая воздействие различными оптическими излучениями [1-8].

Лесные культуры, особенно после катастрофических пожаров в последние годы, нуждаются в поиске наиболее эффективного стимулирования прорастания семян и роста саженцев. Было показано, что кратковременное (от единиц секунд до десятков минут) воздействие низкоинтенсивного высококогерентного света способно существенно повысить функциональную активность животных и растительных клеток. Для сельского и лесного хозяйства такой неэнергоемкий и экологически чистый регуляторный фактор представляет чрезвычайный интерес. Установлено, что лазерное излучение эффективно повышает всхожесть семян, энергию прорастания, ускоряет развитие корневой системы проростков и их рост [9-11]. Однако механизм биорегуляторного действия когерентного излучения изучен недостаточно и требует дальнейших исследований. Лазерное излучение характеризуется комплексом параметров, и только при оптимальном их сочетании наблюдаются цитогенетические эффекты.

Выбор оптимальных режимов обработки семян растений лазерным излучением является актуальной и достаточно сложной проблемой.

Широко используется для предпосевной обработки семян лазерное излучение красного и ИК диапазона длин волн (600-1000 нм) [2, 6]. Известно использование для предпосевной обработки семян ели европейской непрерывного или импульсного излучения ближнего ультрафиолетового диапазона [3]. Известны способы обработки семян сельскохозяйственных культур, совмещающие с лазерным излучением другие виды излучений [4, 8] или применение регуляторов роста [5]. Известно применение лазерного излучения зеленого цвета с длиной волны 500-530 нм для обработки черенков роз [7].

Наиболее близким к предлагаемому способу повышения всхожести семян и стрессоустойчивости сеянцев хвойных пород является способ предпосевной обработки семян сосны обыкновенной, включающий обработку семян излучением разрядной ртутной лампы высокого давления через светофильтры на расстоянии 20 см в течение 1-40 с. Используют выделяющие ультрафиолетовые и фиолетовые светофильтры и отрезающие бесцветные светофильтры толщиной 1-5 мм (RU 2390117, МПК А01С 1/00, опубл. 27.05.2010 - прототип) [12].

Способ-прототип обеспечивает ускорение роста проростков сосны: превышение длины корешков проростков по сравнению с контролем составляет 40-50%, однако определение всхожести семян показало, что «во всех вариантах всхожесть не хуже контроля, а в некоторых - выше на 5…7%».

Недостатком способа-прототипа является низкая эффективность. Задачей предлагаемого изобретения является разработка высокоэффективного способа повышения всхожести семян и стрессоустойчивости сеянцев хвойных пород при помощи метода лазерного облучения семян.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемым способом повышения всхожести семян и стрессоустойчивости сеянцев хвойных пород путем предпосевной обработки семян излучением оптического диапазона, в котором в качестве излучения оптического диапазона используют излучение импульсного лазера на парах меди, генерирующего одновременно свет двух длин волн: зеленой 510,6 нм и желтой 578,2 нм с суммарной мощностью в импульсе 10 киловатт, частотой повторения 10 кГц и длительностью импульса 15 наносекунд.

Соотношение энергии и мощности между зеленой и желтой линиями излучения составляет 3:1.

Лазерное излучение, характеризующееся строгой монохроматичностью, поглощается определенными компонентами семенной оболочки, эндоспермом и зародышем. Точным подбором свойств луча удается управлять процессами, происходящими в семенах на атомно-молекулярном уровне.

Выбор в предлагаемом изобретении лазерного излучения двух длин волн (зеленой и желтой) обусловлен необходимостью создания условий для реализации их параметрического взаимодействия в среде растительного семени, содержащего органические молекулы аминокислот и белков в виде молекулярных или жидких кристаллов, обладающих аномально высокой оптической восприимчивостью [13, 14]. Взаимодействие в среде семени зеленого и желтого лазерного излучения между собой приводит к образованию дополнительных длин волн: суммарной с длиной волны 262 нм (УФ) и разностной - 4,35 мкм. Воздействие каждой из четырех длин волн в своем спектральном диапазоне (УФ, видимом, и инфракрасном) приводит к инициации, по меньшей мере, четырех, вызванных излучением, биохимических реакций. Это ускоряет прорастание и развитие растительного семени.

Выбор импульсного режима работы лазера обеспечивает высокую эффективность предлагаемого способа, так как биосистемы реагируют на производную, а к постоянному уровню воздействия быстро адаптируются [10, 11].

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.

Сухие семена ели обыкновенной (Picea abies) или сосны обыкновенной (Pinus sylvestris) подвергают воздействию излучения импульсного лазера на парах меди, генерирующего одновременно свет двух длин волн: зеленой 510,6 нм и желтой 578,2 нм с суммарной энергией и мощностью в импульсе 3,0-10^-4 Дж и 10 киловатт, соответственно. Длительность импульса излучения 15 наносекунд, частота повторения 10 кГц. Соотношение энергии и мощности между зеленой и желтой линиями излучения равно 3:1. Диаметр пятна излучения на образце составляет 1 см², плотность мощности - 2,0⋅10⁴ Вт/см². Длительность облучения: Опыт 1 - 30 сек; Опыт 2 - 60 сек; Опыт 3 - 90 сек.

Облученные и контрольные семена растений проращивали в лабораторных условиях. Для оценки эффективности предлагаемого способа повышения всхожести семян и стрессоустойчивости сеянцев хвойных пород использовали три вида тестирования:

- тестирование выведения семян из состояния покоя;

- тестирование прорастания семян;

- тестирование развития сеянцев в стрессовых условиях культивирования.

Пример 1. Проверка эффективности предлагаемого способа на семенах ели обыкновенной (Picea abies)

Для фиксации выведения семян ели из состояния покоя нами был выбран спектрофотометрический метод. При увлажнении семян происходит их пробуждение, что сопровождается началом синтеза метаболитов и выходом их в водную среду культивирования. Метаболиты, образующиеся в процессе прорастания семян, имеют характерный спектр поглощения в УФ области спектра с четко выраженным максимумом при ν = 49000 см^-1 (λ = 207 нм) и поглощением (плечом) вплоть до ν = 30000 см^-1 (λ = 330 нм).

Тестирование выхода семян из состояния покоя осуществляли следующим образом. Через 60 мин после окончания облучения семена ели помещали в специальные сосуды для отбора проб с целью спектрального анализа изменения водной среды культивирования семян, контрольных и опытных. Через 30 мин после увлажнения и далее в течение 6 часов через определенные интервалы времени проводили отборы проб для анализа на спектрофотометре. Электронные спектры поглощения записывали на Спектрофотометре Specord UV-vis при комнатной температуре в кварцевой кювете 1=1 см. Кюветы сравнения - бидистиллированная вода. Пробы воды и в контроле, и в опытных образцах отбирали через определенные промежутки времени, измеряли оптическую плотность (D_оп.ед.) при максимуме поглощения (λ = 207 нм) и пробы вновь возвращали в чашки Петри до следующих измерений.

На рис. 1 представлены кинетические кривые выхода метаболитов во времени (D_оп.ед. - t мин) из семян ели в контроле - кривая 1 и в опытном образце №3 (облучение 90 сек.) - кривая 2. Из полученных данных следует, что процесс метаболизма в первые минуты после контакта семян с водой происходит достаточно быстро с начальной скоростью w_h.ck.=4 10'² отн.ед/мин для контрольного образца и с w_н.ск. = 8 10^-2 отн.ед/мин для образца №3 (облучение 90 сек.). В дальнейшем скорость выхода метаболитов уменьшается до значений w_н.ск. =1 10^-2 отн.ед/мин в контроле и w_н.ск. =3 10^-2 отн.ед/мин. Таким образом, величину оптической плотности (D_оп.ед.) можно рассматривать как показатель интенсивности жизнедеятельности семян в водной среде в первые часы опыта. Следует отметить высокую наглядность и чувствительность используемого спектрофотометрического метода.

После окончания забора проб для оценки выхода метаболитов в водную среду семена ели контрольные и опытные перекладывали на увлажненные фильтры в чашки Петри. Для тестирования всхожести (прорастания) семян чашки Петри с семенами помещали в темноту в термостат t=+20°С на 7 суток. Через 7 суток вели учет количества живых проросших семян с длиной корня 0,1-0,5 см. В контроле отмечено количество живых семян не более 20%. Наибольший эффект стимуляции прорастания семян ели отмечен при длительности лазерного воздействия 90 сек - 70% (Опыт 3) - см. Таблицу 1.

Для тестирования развития сеянцев ели в стрессовых условиях культивирования живые проросшие семена высаживали в стеклянные культуральные сосуды с притертой крышкой на однократно увлажненный песок. Культуральные сосуды размещали в люминостате: освещенность 130 люкс, ритм освещения свет/темнота = 12/12 час, температура +19 - +20°С. Подращивание сеянцев специально проводили в стрессовых условиях культивирования: почвогрунт - промытый песок, однократное увлажнение - водой, изоляция от окружающей среды. Специально созданные стрессовые условия культивирования позволяют выявить отдаленный эффект влияния однократного облучения сухих семян ели на развитие сеянцев. Тестирование развития сеянцев вели дистанционно - учитывали количество растений с раскрытыми семядолями на 8-е сутки роста на песке, с наличием свободной зеленой хвои на 15-е сутки роста на песке. Полученные результаты приведены в Таблице 1: при подращивании сеянцев на песке к 15 суткам опыта эффект стимулирующего действия также был максимальным в Опыте 3 и составил 70%.

Пример 2. Проверка эффективности предлагаемого способа на семенах сосны обыкновенной (Pinus sylvestris)

Аналогично примеру 1 проводили тестирование выхода семян сосны из состояния покоя. Измерение оптической плотности водной среды культивирования семян, контрольных и опытных, в максимуме поглощения метаболитов ((λ = 207 нм) в течение 120 мин через определенные промежутки времени показало значительное увеличение концентрации метаболитов в растворах опытной группы семян.

Тестирование всхожести семян сосны показало, что эффект стимуляции прорастания семян начал проявляться уже на 3 сутки, тогда как в Контроле проросших семян отмечено не было. На 7 сутки проросших семян сосны в Контроле было 20%. Наилучший результат отмечен в Опыте 2 - а именно 65% проросших семян сосны. На 8 сутки оценивали количество семян с длиною корня ≥ 1 см - в Контроле таких семян было 5%, в Опыте 2 -60% (см. Таблицу 2).

При выращивании сеянцев сосны из контрольных и облученных лазером семян на песке в стрессовых условиях изоляции от окружающей среды в замкнутом объеме на 8 сутки отмечено, что наиболее высокие (высота 4 см и выше) сеянцы сосны были в Опыте 2 (время облучения 60 с). В Контроле определено лишь 20% таких сеянцев, в Опыте 2 их было 50%. Полученные данные представлены в Таблице 2.

Таким образом, высокая эффективность предлагаемого способа подтверждается экспериментальными фактами. Вывод семян из состояния покоя фиксируется уже через 1,5 часа после лазерного воздействия, о чем свидетельствуют спектрофотометрически определяемые скорости выхода метаболитов в водную среду культивирования опытных образцов по сравнению с контролем. Предлагаемый способ позволяет ускорить процесс прорастания семян и повысить процент всхожести семян - от 15 до 50%. Развитие опытных сеянцев при подращивании их в стрессовых условиях показало, что предпосевная обработка семян ели и сосны по предлагаемому способу способствует функциональным изменениям в семенах, приводящим к повышению устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды.

Литература

1. База данных «Повышение посевных качеств семян основных лесообразующих пород ультрафиолетовым облучением», RU 2020620451, 11.03.2020.

2. Патент РФ №2090031, МПК А01С 1/00, опубл. 20.09.1997.

3. Патент РФ №2308180, МПК А01С 1/00, A01G 7/00, опубл. 20.10.2007.

4. Патент РФ №2134944, МПК А01С 1/00, опубл. 27.08.1999.

5. Патент РФ №2642862, МПК A01N 25/02, опубл. 29.01.2018.

6. Патент РФ №2286037, МПК А01С 1/00, опубл. 27.10.2006.

7. Патент РФ №2171028, МПК A01G 7/04, опубл. 27.07.2001.

8. Патент РФ №2433584, МПК А01С 1/00, опубл. 20.11.2011.

9. Буклагин Д.С., Голубев И.Г., Мишуров Н.П. «Применение лазерных технологий в сельском хозяйстве и перерабатывающей промышленности»: аналит. обзор. - М.: ФГБНУ «Росинформагротех», 2020, 60 с.

10. Будаговский А.В. «Лазерные технологии в сельском хозяйстве». М.: Техносфера, 2008,272 с.

11. Навроцкая Л.В., Загинайлов В.И., Навроцкая СР. «Воздействие лазерного облучения на семена сельскохозяйственных культур». Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве. 2018, с. 74-79.

12. Патент РФ №2390117, МПК А01С 1/00, опубл. 27.05.2010 - прототип.

13. Л.Г. Коренева, В.Ф. Золин, Б.Л. Давыдов. Нелинейная оптика молекулярных кристаллов. Москва. Наука. 1985.

14. Б.Я. Зельдович, Н.В. Табирян. Взаимодействие лазерного излучения с жидкими кристаллами. Межвузовский сборник научных трудов. Вып.2. С. 5-54 (1982). Издательство Ереванского университета, г. Ереван.