Способ активации проращивания семян нуга в закрытой агробиотехносистеме Российский патент 2021 года по МПК A01C1/00 A01G31/00 

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 в импульсном режиме с использованием агробиотехносистем, в агробиофотонике и в технологиях получения пророщенных семян нуга и его микрозелени для здорового питания.

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 № 2601055, опубликован 27.10.2014, Бюл.№30, МПК А01С1/00, А01С1/02)

В последние 20 лет активно в практику сельскохозяйственной науки и биотехнологии входят агробиотехносистемы различных конструкций и модификаций, предназначенные для исследования процессов выращивания растений в контролируемых условиях. В России эти технические системы наиболее известны под термином фитотроны. Последние годы появились и модификации фитотронов для решения вопросов выращивания растений для космического питания и медицины (Коновалова И.О., Беркович Ю.А., Ерохин А.Н., Смолянина С.О., Яковлева О.С., Знаменский А.И., Тараканов И.Г., Радченко С.Г., Лапач С.Н.. Обоснование оптимальных режимов освещения растений для космической оранжереи «Витацикл-Т» // Авиакосм. и экол. мед. – 2016. – Т. 50, № 4. – С. 28-36), а также класс агробиотехносистем – синерготроны с программно-управляемыми параметрами, включая и режимы освещения светодиодными источниками света (Жизненный цикл и экология растений: регуляция и управление средой обитания в агробиотехносистемах. Сборник научных трудов. Выпуск 1 / Под редакцией проф. В.Н. Зеленкова – М.: Техносфера, 2018. - 208с. ISBN 978-5-94836-543-5).

Применение светодиодных источников света в светокультуре растений дает возможность, наряду с длительным постоянным облучением растений, использовать импульсный режим облучения.

Импульсный характер облучения растений в работах Коноваловой И.О. с соавторами оказывал как стимулирующее, так и угнетающее действие на накопление сухой массы салата, в зависимости от уровня усредненной по времени интенсивности светового потока, который за время освещения растений представляет собой чередующиеся импульсы потока фотонов со следующими за ними периодами темноты. (Коновалова И.О., Беркович Ю.А., Ерохин А.Н., Смолянина С.О., Яковлева О.С., Знаменский А.И., Тараканов И.Г., Радченко С.Г., Лапач С.Н., Трофимов Ю.В., Цвирко В.И. Оптимизация светодиодной системы освещения витаминной космической оранжереи // Авиакосм. и экол. мед. – 2016. – Т. 50, № 3. – С. 17-22).

Однако, не существует общих решений по использованию импульсных режимов светодиодного освещения для растительных культур.

Наиболее близким к предлагаемому решению является исследование Донга С. с соавторами, которые, исследуя воздействие импульсного освещения с миллисекундным периодом на фотосинтетические характеристики и продукционный процесс растений пшеницы, получили снижение урожайности при коэффициенте заполнения импульсами света равном 50. Авторы исследования считают принципиально возможным снижение затрат электроэнергии на освещение посевов за счѐт использования импульсного освещения (Dong C., Shao L., Liu G. et al. Photosynthetic characteristics, antioxidant capacity and biomass yield of wheat exposed to intermittent light irradiation with millisecond-scale period // Journal of plat physiology. – 2015. – Vol. 184. – P. 28-36. Резюме прототипа прилагается).

Однако, авторы предполагают использование импульсного освещения в режиме миллисекундного диапазона формирования потока фотонов и темноты с определенной скважностью для устранения эффекта негативного воздействия света на продукционные характеристики в период фотосинтеза только для растительной культуры пшеницы. Вопрос о воздействии освещения в импульсном (прерывистом) режиме на стадии проращивания пшеницы до появления микрозелени авторами не рассматривается.

Эта отличительная характеристика всех малочисленных работ по изучению импульсных режимов светодиодного освещения на продукционный процесс конкретных растений, поскольку генетический фактор является основным фильтром по проявлению эффектов стимулирования или ингибирования жизненных процессов при фотосинтезе в этих условиях автотрофного питания.

Технический результат – установление режима импульсного светодиодного освещения для повышения всхожести семян, увеличения продуктивности ростков и качества микрозелени по содержанию антиоксидантов в фазе первичного фотосинтеза после проращивания семян и до получения микрозелени, сокращение затрат на освещение.

Техническое решение заявленного объекта отличается от прототипа тем, что в закрытой агробиотехносистеме, начиная с посева семян реализуют светодиодное освещение при интенсивности генерируемых фотонов в 265 мкМоль/м² с и количественной характеристикой светового потока по составляющим его длинам волн: ультрафиолет 380 нм - 1,5 %, синий 440 нм - 23,8 %, зеленый 520-530 нм - 6%, красный 640 нм - 61,5 %, дальний красный 740 нм - 7,2 % , причем освещение реализуют в импульсном (прерывистом) режиме в диапазонах соотношения периодов свет/темнота равным 1 секунда /3 секунды, 1 секунда /2 секунды и 1 секунда /1 секунды в течении 11 дней с получением микрозелени.

Способ осуществляют следующим образом:

Исследования проводили с использованием экспериментального образца агробиотехносистемы с цифровым программным управлением основными параметрами среды (модель 1.01. конструкции АНО «Институт стратегий развития»). В качестве объекта исследований взята новая для России сельскохозяйственная культура - нуг абиссинский (Guizotia abyssinica (L.f.) Cass) сорт Липчанин (селекция ФГБНУ ВНИИ рапса).

Проращивание семян нуга проводили в чашках Петри согласно ГОСТ 12038-84 с изменениями – использовалась подложка из минеральной ваты. Количество семян - по 50 шт. в чашке Петри, повторность трехкратная. Температура 25-26⁰ С. Проращивание семян нуга проводили в контрольном варианте в темноте а в опытных вариантах с импульсным освещением начиная от посева семян в закрытой камере агробиотехносистемы ИСР 1.01. Использовали полихромное освещение светодиодами с интенсивностью освещения на уровне поверхности семян: пиковая (в период действия импульса) 265 мкМоль/м² с, усредненная по времени: 66,3 мкМоль/ м² с в режимах1/3 с (1 с импульс, 3 с пауза), 88,3 мкМоль/ м² с в режиме 1/2 с и 132,5 мкМоль/м² с при 1/1 с. Освещение круглосуточное 24 ч в сутки.

Соотношение спектров во всех случаях импульсного освещения: ультрафиолет 380 нм - 1,5%, синий 440 нм - 23,8%, зеленый 520-530 нм - 6%, красный 640 нм - 61,5%, дальний красный 740 нм -7,2%,.

На 3-й день определяли энергию проращивания семян нуга а на 7-й день – всхожесть семян. На 11 день определяли, высоту и биомассу ростков (микрозелень). Определение суммарной антиоксидантной активности образцов в граммах рутина на 100 грамм сухих образцов (с.о.) проводили в соответствии с МВИ- 01-00669068-13 (Зеленков В.Н., Лапин А.А. Суммарная антиоксидантная активность. Методика выполнения измерений на кулонометрическом анализаторе. ВНИИ овощеводства. Верея Московской обл., 2013).

В течение всего эксперимента проводили увлажнение подложки (минеральной ваты) дистиллированной водой.

Полученные результаты испытаний способа приведены в таблицах 1,2,3.

При проращивании семян нуга в режиме импульсного освещения диапазона 1 с/3 с - 1 с/2 с - 1 с/1 с наблюдается повышение всхожести для всех вариантов опытов (табл. 1). Это подтверждает и перспективность использования импульсного освещения в указанном диапазоне.

Импульсное освещение в испытанных диапазонах способствует снижению высоты ростков нуга (таблица 2), однако это не влияет на продуктивность по микрозелени и дает повышение биомассы 100 ростков на 6,7 % и 5,3 % для вариантов импульсов 1с /3 с и 1с /2 с, соответственно.

Только для варианта реализации импульсного режима освещения 1 с /1 с наблюдается снижение продуктивности на 11,6 %, однако, это компенсируется в значительной мере повышением качества микрозелени, а именно, существенным повышением содержания в ростках биологически активных веществ – антиоксидантов (табл.3), превышение содержания которых относительно контроля составило 106 % и 250 % для режимов освещения в импульсе 1с /2 с и 1с /1 с, соответственно.

Таблица 1. Энергия прорастания и всхожесть семян нуга сорта «Липчанин» при импульсном освещении светодиодным источником.

 Условия проращивания Энергия прорастания, % Изменение энергии прорастания относительно контроля, % Всхожесть, % Изменение всхожести относительно контроля, % Контроль - проращивание в темноте 53,3 - 59,3 - Проращивание при импульсах полихромного света 1/3 с 61,3 + 15,0 66,7 + 12,5 Проращивание при импульсах полихромного света 1/2 с 56,0 + 5,1 60,0 + 5,1 Проращивание при импульсах полихромного света 1/1 с 50,3 - 6,2 63,3 + 6,7

Таблица 2. Показатели высоты и массы ростков нуга сорта Липчанин при проращивании семян в условиях импульсного полихромного светодиодного освещения в разных режимах на 11 сутки.

 Условия проращивания Высота растений, см Изменение высоты ростков относительно контроля, % Сырая биомасса 100 ростков, г Изменение биомассы ростков относительно контроля, % Контроль- проращивание в темноте, 7,3 - 23,07 - Проращивание при импульсах полихромного света 1с /3 с 3,7 - 49,3 24,47 + 6,7 Проращивание при импульсах полихромного света 1с /2 с 2,9 - 60,3 24,30 + 5,3 Проращивание при импульсах полихромного света 1с /1 с 2,4 - 67,1 20,40 - 11,6

Таблица 3. Показатели суммарной антиоксидантной активности (САОА г рутина /100 г с.о.) при проращивании семян в условиях импульсного полихромного светодиодного освещения в режимах 1с/3с, 1с/2с, 1с/1с.

 Параметр качества САОА
г рутина / 100 г с.о. ростков Изменение показателя САОА относительно контроля, % Контроль- проращивание в темноте 1,182 - Проращивание при импульсах полихромного света 1с /3 с 1,182 0 Проращивание при импульсах полихромного света 1с /2 с 2,434 + 105,9 Проращивание при импульсах полихромного света 1с /1 с 4,136 + 249,9

Этот факт, возможно, открывает новый путь создания растительной продукции в агробиотехносистемах с повышенной биологической ценностью

для использовании в диетическом и профилактическом питании.

Полученные данные позволяют заключить, что проведение проращивания семян нуга абиссинского предлагаемым способом при использовании импульсного полихромного освещения в агробиотехносистеме в предложенном диапазоне генерации импульсов светодиодными светильниками позволяет получать микрозелень с повышенной биологической ценностью и снизить уровень затрат на световое освещение в период проращивания семян и первичного фотосинтеза в технологии получения пророщенных семян и микрозелени.

Так, усредненная по времени интенсивность освещения за сутки, используемая в предлагаемом способе, снижена от 2-х до 4-х раз с 265 мкМоль/м² с (вариант непрерывно работающего светильника) к 132,5 мкМоль/м² с, 88,3 мкМоль/м² с и до 66,3 мкМоль/м² с при генерации импульсов 1 с/ 1 с, 1 с/2 с и 1 с/3 с, соответственно.

Также, эти результаты могут найти применение в селекционных работах, семеноводстве по отбору сортообразцов высокопродуктивных с высоким содержанием антиоксидантов и отзывчивых на избирательное действие освещения для фотосинтеза растений на начальном этапе при разработке новых технологий получения микрозелени для здорового питания.

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к растениеводству. Способ активации проращивания семян нуга заключается в том, что в закрытой агробиотехносистеме, начиная от посева семян, проводят освещение светодиодами при интенсивности генерируемых фотонов в 265 мкмоль/м²с и количественной характеристикой светового потока по составляющим его длинам волн: ультрафиолет 380 нм - 1,5%, синий 440 нм - 23,8%, зеленый 520-530 нм - 6%, красный 640 нм - 61,5%, дальний красный 740 нм - 7,2%. Освещение реализуют в импульсном - прерывистом режиме в соотношении периодов свет/темнота в диапазоне: 1 с /3 с, 1 с /2 с или 1 с /1 с до получения микрозелени на 11-е сутки. Способ обеспечивает повышение всхожести семян, продуктивности, а также качества микрозелени по содержанию антиоксидантных веществ. 3 табл.

Способ активации проращивания семян нуга, характеризующийся тем, что в закрытой агробиотехносистеме, начиная от посева семян, проводят освещение светодиодами при интенсивности генерируемых фотонов в 265 мкмоль/м²с и количественной характеристикой светового потока по составляющим его длинам волн: ультрафиолет 380 нм - 1,5%, синий 440 нм - 23,8%, зеленый 520-530 нм - 6%, красный 640 нм - 61,5%, дальний красный 740 нм - 7,2%, причем освещение реализуют в импульсном - прерывистом режиме в соотношении периодов свет/темнота в диапазоне: 1 с /3 с, 1 с /2 с или 1 с /1 с до получения микрозелени на 11-е сутки.