Способ активации проращивания семян нуга Абиссинского при светодиодном монохроматическом освещении Российский патент 2021 года по МПК A01C1/00 A01G7/04 

Изобретение относится к области сельского хозяйства и может найти применение для повышения всхожести семян растений в растениеводстве, в селекции и расширении области применения светодиодного монохроматического излучения в технологиях получения пророщенных семян нуга для здорового питания.

Известна технология применения светодиодных источников света в светокультуре растений в теплицах и оранжереях, которая даёт возможность длительного постоянного облучения комбинированным светом с включением в световой поток полихромного освещения красного (СД КС), синего (СД СС) и зеленого (СД ЗС) светов (Курьянова И.В., Олонина С.И.» Оценка влияния различных спектров светодиодного светильника на рост и развитие овощных культур» Вестник НГИЭИ, 2017.№7(74) с.35-44) Такие источники света предлагаются многими производителями как фитолампы. Как правило, искусственное освещение для различных видов растений в теплицах исследуется только с точки зрения возможности повышения фотосинтеза на разных стадиях вегетативного и генеративного развития при вегетации конкретных растений в условиях защищенного грунта, а другие показатели развития растений не учитываются, что снижает эффективность способа.

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 несколько десятилетий активно в практику сельскохозяйственной науки и биотехнологии входят агробиотехносистемы различных конструкций и модификаций, предназначенные для исследования процессов выращивания растений в контролируемых условиях проведения эксперимента. 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., О.С. Яковлева, А.И. Знаменский, И.Г. Тараканов, С.Г.Радченко, С.Н. Лапач. Обоснование оптимальных режимов освещения растений для космической оранжереи «Витацикл-Т» // Авиакосм. и экол. мед. – 2016. – Т. 50, № 4. – С. 28-36), а также класс фитотронов – 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). Известно техническое решение, в котором растения картофеля in vitro облучают светодиодными источниками разного цвета (красного, синего, зеленого, белого) с различной интенсивностью в нанометрах. (Ю.Ц.Мартиросян, Л.Ю.Мартиросян, А.А. Кособрюхов. Динамика фотосинтетических процессов в условиях переменного спектрального облучения растений. Сельскохозяйственная биология, 2016, том 51, №5, с.680-687). Однако в известном решении не выявлены четкие зависимости по росту и развитию растений и обозначены параметры одной изучаемой культуры при чередовании темноты и облучения разным световым спектром излучения для листьев картофеля в условиях фотосинтеза при вегетации культуры.

Известно, что при досвечивании горчицы салатной в фазе технической зрелости растений светодиодными светильниками с красным и синим полидисперсным спектром можно управлять продуктивностью растений и параметрами антиоксидантной активностью ее зеленой массы (Зеленков В.Н., Кособрюхов А.А., Лапин А.А., Латушкин В.В./ Продуктивность и антиоксидантная активность горчицы салатной при облучении красным и синим светом в замкнутой системе фитотрона класса синерготрон ИСР-1.1. //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 - С.144-154. ISBN 978-5-94836-543-5, DOI: 10.22184/978-5-94836-543-5-142-152. Однако, данный аналог рассматривает источник света в красной области излучения светодиодного светильника как полидисперсный фотонный источник широкой области красного излучения регулируемого светильника синерготрона модели 1.01 (разработка АНО Институт стратегий развития, г.Москва) и дает решение вопросов интенсификации роста растений салатной культуры только в фазе технической зрелости. Известно, что влияние света на этапе прорастания семян мало связано с интенсивностью фотосинтеза, т.к. фотосинтетический аппарат – листья растений, еще не сформированы.

Близким к предлагаемому решению является работа, где рассматривается фактор освещения при проращивании семян лекарственных растений с длительным периодом покоя (Н.Ю.Свистунова, П.С. Савин/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.).

Авторы работы используют полные спектры излучателей красного и синего света при проращивании семян паслена и белладонны. Однако, авторы применяют не уточненные – спектры синего и красного освещения и без оценки влияния различных его участков. Также, в способе авторы применяют высокую энергетическую составляющую генерируемых пучков фотонов, характерную для фазы вегетации растений при активном фотосинтезе. 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 как лекарственных, так и других сельскохозяйственных культур широкого применения в народном хозяйстве. Это не позволяет применить приведенные данные авторов, например, для новой интродуцированной в РФ сельскохозяйственной культуры нуга Абиссинского. Наиболее близким техническим решением является способ, в котором проращивают культуру нуга Абиссинского в закрытой системе синерготрона ИСР-1,1 (Зеленков В.Н. и др. Влияние облучения в импульсном режиме на всхожесть и содержание антиоксидантов при проращивании семян нуга абиссинского в закрытой системе синерготрона ИСП-1.1// Сб. материалов V межд. конф. «Роль физиологии и биохимии в интродукции и селекции с.х. растений». Москва, т.1,15-19.04.2019, с.314-317). Недостатком известного технического решения является использование высокоинтенсивных режимов светодиодных источников света в полихроматическом варианте реализации освещения, что при общей положительной составляющей влияния некоторых импульсных режимов освещения на всхожесть семян нуга не дает перспектив перехода к существенному снижению интенсивности потока фотонов без использования монохроматического спектра света.

Технический результат - расширение возможностей использования светодиодного освещения в варианте монохроматического спектра синего, зеленого и красного света, определение параметров длины волны излучения для повышения всхожести семян нуга Абиссинского и повышения качества проростков, а именно запуска первичного фотосинтеза с получением микрозелени обогащенной биоактивными компонентами.

Техническое решение заявленного объекта заключается в том, что семена проращивают 7 суток в стандартных условиях при комнатной температуре на подложке из минеральной ваты с поливом дистиллированной водой по мере подсыхания подложки, при монохроматическом излучении светодиодами синего или зеленого или красного света с длиной волны 440 нм, 525 нм, 660 нм соответственно, при низкой интенсивности пучка фотонов в диапазоне 1,44 мкмоль/м²·с до 6,52 мкмоль/м²·с на уровне подложки с семенами с получением микрозелени на 7-е сутки проращивания семян.

Способ осуществляют следующим образом.

Исследования проводили с использованием экспериментального образца агробиотехносистемы - синерготрона 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 проводили согласно ГОСТ 12038-84 с изменениями, а именно: вместо фильтровальной бумаги использовали подложку из минеральной ваты в виде пластин 20*20 см (400 см²). Количество семян 100 шт, повторность трехкратная. Полив проводили дистиллированной водой по мере подсыхания подложки. В качестве контроля использовали проращивание семян нуга в темноте в соответствии с ГОСТ 12038-84, а также 3 опытных варианта с монохроматическим светодиодным низкоэнергетическим освещением синего (СД СС), зеленого (СД ЗС) и красного (СД КС) света с длинами волн 440 нм, 525 нм и 660 нм и интенсивностью 6,53 мкМоль / м²·с, 1,44 мкМоль / м²·с и 2,36 мкМоль / м²·с, соответственно.

На 7-е сутки определяли энергию прорастания, всхожесть семян в контрольном, и опытных вариантах, измеряли высоту, продуктивность проростков в 3-х повторностях. Определяли среднее арифметическое по энергии прорастания, всхожести и измерением высоты и сырой биомассы ростков.

Для оценки запуска в предлагаемом способе первичного фотосинтеза (автотрофного питания) определяли спектрофотометрически фотосинтетические пигменты в ростках. Для этого проводили экстракцию пигментов этанолом из образцов сырых ростков на 7-е сутки проращивания.

Результаты испытаний вариантов реализации способа приведены в таблицах 1, 2 и 3.

Таблица 1. Энергия проращивания (3-и сутки), всхожесть (7-е сутки) семян нуга Абиссинского (сорт Липчанин) в опытах и контроле

Вариант опыта Энергия проращивания, % Изменение энергии относительно контроля, % Всхожесть, % Изменение всхожести относительно контроля, % Проращивание семян в темноте – контроль 73,6 - 92,6 - Проращивание семян при постоянном освещении СД СС 440 нм,
6,52 мкМоль / м²·с 69,7 +5,3 92,7 + 0,1 Проращивание семян при постоянном освещении СД ЗС 525 нм,
1,44 мкМоль / м²·с 73,4 - 0,3 92,8 + 0,2 Проращивание семян при постоянном освещении СД КС 660 нм,
2,36 мкМоль / м²·с 79,4 + 7,9 93,9 + 1,4

Применение предложенного способа с использованием монохроматического освещения СД СС, СД ЗС и СД КС позволяет повысить энергию прорастания семян нуга для СД СС и СД КС на 5,3 % и 7,9 %, соответственно, по сравнению с контролем и с сохранением показателя для варианта СД ЗС. Для всех испытанных вариантов всхожесть семян практически не изменялась (табл. 1).

Применение предложенного способа с использованием светодиодов, генерирующих синее, зеленое и красное монохроматическое излучение, приводит к уменьшению роста ростков на 7-е сутки на 41,9 %, 32,3 % и 40,7 %, соответственно. При этом наблюдается сохранение продуктивности ростков нуга для вариантов опыта с освещением СД ЗС и незначительным уменьшением продуктивности для СД СС – на 4,8 % и для СД КС – на 13,0 % (табл.2).

Таблица 2. Высота (см) и продуктивность ростков (масса 100 ростков, г) на 7-е сутки проращивания семян нуга (сорт Липчанин) в опытах и контроле

Вариант опыта Высота ростков, см Изменение высоты относительно контроля, % Продуктивность – масса 100 ростков, г Изменение продуктивности относительно контроля, % Проращивание семян в темноте – контроль 9,3 - 5,40 - Проращивание семян при постоянном освещении СД СС 440 нм ,
6,52 мкМоль / м²·с 5,4 - 41,9 5,14 - 4,8 Проращивание семян при постоянном освещении СД ЗС 525 нм,
1,44 мкМоль / м²·с 6,3 - 32,3 5,36 + 0,7 Проращивание семян при постоянном освещении СД КС 660 нм,
2,36 мкМоль / м²·с 5,5 - 40,7 4,70 - 13,0

Принципиальным моментом для получения пророщенных семян и микрозелени являются комбинированные показатели соотношения средней массы ростков к их высоте и запуск первичного фотосинтеза, т.е. переход от гетеротрофного питания за счет внутреннего резерва семян нуга к автотрофному с использованием фотосинтеза.

Проведенные расчеты с использованием показателей продуктивности и высоты растений (табл.2) показали, что для контроля, опытных вариантов использования монохроматического излучения фотонов светодиодами СД СС, СД ЗС и СД КС с низкой интенсивностью в диапазоне от 1,44 мкМоль / м²·с до 6,52 мкМоль / м²·с соотношением биомассы ростков к их высоте составил 0,0058, 0,0095, 0,0085 и 0,0086 г/см, соответственно. Это говорит о наличии фотосинтеза в ростках, как дополнительного механизма питания (автотрофное) при проращивании семян в отличие от контрольного проращивания в темноте (коэффициент 0,0058) и об увеличении соотношения биомассы ростков к их высоте, составляющую относительно контроля 47 % (для СД ЗС), 48 % (для СД КС) и 64 % (для СД СС).

Подтверждением этого является наличие в ростках фотосинтетических элементов – хлорофилла а и b, а также каратиноидов, содержание которых в ростках, полученных предлагаемым способом, приведены в таблице 3. Запуск фотосинтеза при низкоэнергетическом монохроматическом светодиодном освещении СД СС, СД ЗС и СД КС дает возможность реализации нового пути синтеза биомассы ростков за счет автотрофного питания при истощении гетеротрофного питания при завершении проращивания семян в течении 7 суток и ускоренного получения микрозелени на 7-е сутки проращивания семян.

Таблица 3. Содержание хлорофиллов а и b и каратиноидов в ростках на 7-е сутки проращивания семян нуга (сорт Липчанин) в опытах и контроле

Вариант опыта Хлорофилл а, мкг/мл Хлорофилл b, мкг/мл Соотношение а/b Каротиноиды мкг/мл Проращивание семян в темноте – контроль - - - - Проращивание семян при постоянном освещении СД СС 440 нм ,
6,52 мкМоль / м²·с 4,36 2,15 2,03 1,50 Проращивание семян при постоянном освещении СД ЗС 525 нм,
1,44 мкМоль / м²·с 2,38 1,55 1,92 1,12 Проращивание семян при постоянном освещении СД КС 660 нм,
2,36 мкМоль / м²·с 4,72 2,29 2,06 1,72

Таким образом, использование предлагаемого способа с применением разных спектров низкоэнергетического излучения светодиодных светильников СЛ СС, СД ЗС и СД КС (интенсивности излучения 6,23 мкМоль / м²·с , 1,44 мкМоль / м²·с , 2,36 мкМоль / м²·с , соответственно) при проращивании нуга Абиссинского позволяет получать пророщенные семена с содержанием биологически активных компонентов – продуктов первичного фотосинтеза: хлорофиллы а и b, каратиноиды при сохранении всхожести семян и получить низкорослые биотипы с высокой плотностью биомассы ростков.

Это позволяет получать новый тип пророщенных семян на 7 сутки как микрозелень для здорового питания.

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к растениеводству. Способ включает светодиодное освещение разными спектрами при проращивании семян нуга Абиссинского. Семена проращивают 7 суток в стандартных условиях при комнатной температуре на подложке из минеральной ваты с поливом дистиллированной водой по мере подсыхания подложки. Освещение включает монохроматическое излучение светодиодами синего, или зеленого, или красного света с длиной волны 440 нм, 525 нм, 660 нм соответственно при низкой интенсивности пучка фотонов в диапазоне от 1,44 мкмоль/ м²·с до 6,52 мкмоль/м²·с на уровне подложки с семенами с получением микрозелени на 7-е сутки проращивания семян. Способ позволяет расширить возможности использования светодиодного освещения в варианте монохроматического спектра синего, зеленого и красного света, определение параметров длины волны излучения для повышения всхожести семян нуга Абиссинского и повышения качества проростков, а именно запуска первичного фотосинтеза с получением микрозелени, обогащенной биоактивными компонентами. 3 табл.

Способ активации проращивания семян нуга Aбиссинского при светодиодном освещении, включающий освещение разными спектрами, отличающийся тем, что семена проращивают 7 суток в стандартных условиях при комнатной температуре на подложке из минеральной ваты с поливом дистиллированной водой по мере подсыхания подложки, при монохроматическом излучении светодиодами синего, или зеленого, или красного света с длиной волны 440 нм, 525 нм, 660 нм соответственно, при низкой интенсивности пучка фотонов в диапазоне от 1,44 мкмоль/ м²·с до 6,52 мкмоль/м²·с на уровне подложки с семенами с получением микрозелени на 7-е сутки проращивания семян.