Химия высоких энергий, 2021, T. 55, № 3, стр. 241-246

ВВЕДЕНИЕ

Одним из возможных экологически чистых направлений улучшения предпосевных качеств семян, повышения интенсивности морфогенеза и продуктивности растений является предпосевная обработка семян различными физическими методами, в том числе плазмой, создаваемой диэлектрическим барьерным разрядом [1, 2].

Результаты исследований показывают, что влияние предпосевной обработки семян различных видов растений плазмой барьерного разряда происходит как за счет модификации семенной поверхности [3, 4], так и за счет проникновения активных частиц плазмы (электронов, радикалов, ионов, в частности, атомарного кислорода и гидроксил радикала) через пористый семенной слой внутрь семени [3]. При этом изменяется морфология семенных слоев и транспортные свойства клеточных плазматических мембран, за счет чего у семян улучшается смачиваемость поверхности и усиливается поглощение влаги [1, 2, 4, 5]. Проникшие внутрь семени активные частицы реагируют с семенными клетками, нарушают состояние покоя, стимулируя активное использование запасов семени и изменяя ферментативную активность и гормональный баланс [1–6]. В итоге предпосевная обработка семян плазмой может способствовать более раннему прорастанию и повышению всхожести семян, интенсивному росту и увеличению продуктивности растений [1–6]. Изменение посевных качеств семян и морфогенеза растений может быть обусловлено дезинфекцией семян за счет удаления с их поверхности микробных слоев и микотоксинов [7, 8], а также продолжительность обработки семян плазмой, видовая и сортовая принадлежность растений [1, 3, 5, 6].

Среди зеленных культур, занимающих особое место среди овощей по содержанию кальция, магния, железа, и широко возделываемой как в светокультуре, так в открытом и защищенном грунтах, является Lactuca sativa L. Практическое ее использование ориентировано на раннюю стадию развития растений (фаза технической спелости), поэтому ускоренное формирование розетки листьев и увеличение биомассы является важным параметром продуктивности. Ранее показано, что плазменная обработка семян оказывает положительное влияние на качество семян, их прорастание и ростовые параметры растений. Однако в настоящее время в литературе отсутствуют сведения о влиянии на семена Lactuca sativa L. плазменной предпосевной обработки.

Целью данной работы явилось изучение влияния предпосевной обработки семян Lactuca sativa L. плазмой барьерного разряда в воздушной среде на их качество, морфогенез и продуктивность выращенных из них растений.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объектом исследований являлся Lactuca sativa L. “Лолло Бионда”, выращиваемый в светокультуре.

Экспериментальная установка для обработки семян плазмой барьерного разряда показана на рис. 1. Воздух (1) через кран тонкой регулировки скорости потока газа попадает в плазмохимический реактор (2), где в пространстве между электродами (3) с помощью генератора высоковольтных импульсов возбуждается барьерный разряд и формируется плазма. Реактор имеет один диэлектрический барьер и характеризуется планарным расположением электродов, расстояние между которыми составляет 2 мм, а площадь каждого из них – 48 см². Заземленным электродом реактора служит основание, выполненное из латуни (4). Высоковольтный электрод выполнен из медной фольги (5), приклеенной к поверхности диэлектрика (6) из стеклотекстолита толщиной 2 мм, и фиксируется уплотнителем (7). Барьерный разряд инициируется высоковольтными импульсами напряжения, управляемыми генератором (8). Осциллограммы импульсов регистрировались с использованием делителя напряжения (9), емкостных и токовых шунтов (10) на 2-канальном цифровом осциллографе Tektronix TDS 380 (Tektronix, США) (11), и представлены на рис. 2.

Максимальная амплитуда высоковольтных импульсов напряжения составляла ~9 кВ, а частота их повторения равнялась 2 кГц. Рассчитанная активная мощность плазмы барьерного разряда при данных параметрах реактора соответствовала ~7 Вт и вычислялась по формуле:

где f – частота повторения импульсов напряжения (Гц), Е – энергия (Дж) одного импульса напряжения, рассчитанная из вольт-кулоновской характеристики (рис. 2).

Во всех экспериментах расход воздуха на входе в реактор составлял ~200 мл/мин, температура реактора была постоянной и равнялась 25^○С.

Разрядный промежуток между электродами объемом 9.6 см³ служит для закладки семян. Семена предварительно не подготавливались и равномерно располагались в разрядной зоне реактора, занимая в среднем 2/3 от площади разрядной зоны. После воздействия электрическим разрядом семена находились на воздухе и дополнительной обработке не подвергались.

Оценка посевных качеств семян (энергии прорастания и лабораторной всхожести) проводилась в лабораторных условиях на перлите [9]. Растения выращивались из семян в светокультуре до технической спелости (35 суток) в почве, состоящей из равных количеств чернозема, перегноя и торфа. Семена Lactuca sativa L. высевались в контейнерах с дренажными отверстиями. Источником излучения служили лампы ДНаЗ-150 (ООО “Рефлакс”, Россия). Интенсивность светового потока составляла 120 Вт/м², фотопериод – 16 ч, температура воздуха – 24°С.

В качестве контроля использовались необработанные плазмой семена и растения, выращенные из них. Опытные семена подвергались предпосевной обработке плазмой в течение 5, 10, 15 и 25 с. Выбор продолжительности воздействия сделан произвольно на основании анализа литературных данных, показывающих, что время обработки семян плазмой должно определяться толщиной семенной кожуры и ее проницаемостью [2, 3].

В динамике проводились измерения длины главного корня семян, определялись число и площадь поверхности листьев, сырая и сухая биомасса растений.

Длина главного корня семени измерялась цифровым штангенциркулем Digital Caliper 0-150 mm (Manufactures & Suppliers, China).

Для определения сырой массы и массы сухого вещества растения вынимались из почвы, корневая система промывалась водой, лишняя влага удалялась фильтровальной бумагой. Для определения массы сухого вещества растения высушивались в сушильном шкафу при температуре 103–105°С до постоянного веса. Взвешивание проводилось на электронных аналитических весах Acculab ALC-210d4 (Acculab, USA).

Для определения площади поверхности листьев растений использовалась программа по определению площади сложных фигур “AreaS” (Самарская государственная сельскохозяйственная академия, Россия). Работа программы основана на сканировании двух фигур, площадь, одной из которых известна (шаблон), их сравнением с последующим расчетом площади исследуемой фигуры. Погрешность определения площади не превышает 0.001%.

Содержание фотосинтетических пигментов в листьях растений определялось на спектрофотометре UV-VIS spectrophotometer Shimadzu UV-2600 (Shimadzu Corporation, Japan) с последующим расчетом по формуле Хольма–Веттштейна для ацетоновых вытяжек [10].

Оценка достоверности результатов исследований проводилась при 95% уровне надежности (уровень значимости – 0.05). На рисунках приведены средние арифметические значения с двухсторонним доверительным интервалом из трех независимых экспериментов, каждый из которых проведен в трех биологических повторностях на 40 растениях.

За результат анализа лабораторной всхожести и энергии прорастания принимались среднеарифметические значения данных анализа четырех проб по 100 семян в каждой при допустимом расхождении результатов, указанных в ГОСТ 12038-84 [9].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Воздействие плазмы на семена в течение 5, 10 и 15 с способствовало повышению их лабораторной всхожести на 1–2%, а увеличение времени обработки до 25 с приводило к ее угнетению.

Однако энергия прорастания всех опытных семян Lactuca sativa L. относительно контроля была выше на величину от 11 до 23%, причем определенной зависимости величины изменений от длительности их обработки плазмой не выявлено.

Удлинение главного корня у опытных семян относительно контроля происходило более интенсивно, скорость роста определялась продолжительностью обработки семян плазмой (рис. 3).

Полученный результат указывает на улучшение посевных качеств семян Lactuca sativa L. при их обработке плазмой барьерного разряда. В соответствии с литературными данными, это может быть связано с модифицированием поверхности семенной оболочки под воздействием плазмы, что приводит к увеличению смачиваемости семян, водной проницаемости и поглощения ими воды [1, 4, 6]. Кроме того, в семени изменяется уровень гормонального баланса и ферментативной активности, что вызывает положительные метаболические последствия за счет активного использования запасов семени [1, 4, 6].

Также показано, что увеличение экспозиции плазмой может приводить как к повышению, так и к уменьшению ростовой активности семян из-за передозировки активным кислородом и азотом, образующимися под воздействием плазмы и выполняющих важную функцию в регуляции эндогенных гормонов на стадии прорастания семян и в начале развития растений [1, 3]. Увеличение времени обработки семян до 25 с, вероятно, приводит не только к модифицированию семенной поверхности, но и к частичному ее разрушению [6]. Это способствует как еще большему поступлению влаги внутрь семени, так и активации протекания биохимических процессов, что уменьшает период индукции ответных ростовых реакций. Снижение ростовых реакций у опытных семян с самой короткой (5 с) и самой длинной (25 с) плазменной обработкой на 5–7 сутки связано с интенсивным расходованием запасов семени в начальный период.

В дальнейшем вплоть до достижения технической спелости более активное формирование ассимилирующей поверхности и корневой системы отмечалось у растений, культивируемых из семян с 10 и 15-секундной обработкой, что с середины онтогенеза было связано с более высоким содержанием фотосинтетических пигментов в листьях. Аналогичные данные были получены при исследовании влияния плазмы на арахис, результаты которых показали стимулирование роста растений путем увеличения содержания хлорофилла [11].

Выявили постоянное увеличение накопления биомассы у всех опытных растений относительно контроля (рис. 4), при этом формирование новых листовых пластинок в опыте происходило менее активно по сравнению с ростом и развитием ранее сформированных. Это указывает на то, что активное развитие надземной части опытных растений происходило как за счет интенсивного роста образовавшихся ранее листьев, так и формирования новых листовых пластинок. Увеличение сырой и сухой биомассы опытных растений было сопряжено с развитием их ассимилирующей поверхности и корневой системы.

В момент ликвидации относительно контроля в опыте у растений, выращенных из обработанных плазмой в течение 5, 10, 15 и 25 с семян, были больше площадь поверхности листьев на 21, 61, 65 и 24%, сырая масса надземной части на 12, 45, 70 и 19%, сырая масса на 38, 85, 96 и 28% соответственно. Однако масса сухого вещества достоверно не различалась у контрольных и у опытных растений с 5 и 25-секундной обработкой семян, т.е. на данный момент онтогенеза, вероятно, происходит дезактивация биохимических процессов в растениях, на что дополнительно указывает снижение уровня фотосинтетических пигментов.

Таким образом, растения, выращенные из семян, обработанных плазмой в течение 10 и 15 с, характеризовались интенсивным ростом, развитием и повышенной продуктивностью относительно других опытных и контрольных растений. В ходе всего периода вегетации между контролем и данными опытными растениями эти различия только нарастали. Такой результат может быть связан с тем, что при 10 и 15-секундной обработке происходит проникновение в семя оптимального количества активных частиц, а также УФ-излучения и озона из плазмы разряда [1, 2, 12, 13]. Это приводит к положительному сдвигу некоторых метаболических и биосинтетических процессов, а также сигнальных путей [3–6].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты исследований показывают, что предпосевная обработка семян Lactuca sativa L. “Лолло Бионда” плазмой барьерного разряда способствует улучшению ростовых процессов и повышению продуктивности выращенных из них растений. Оптимальным временем обработки плазмой семян, позволяющим запустить более активную программу морфогенеза, является 10 и 15 с в данных условиях при активной мощности разряда ~7 Вт.

Опытные семена и растения отличаются от контрольных по нескольким параметрам: всхожесть обработанных семян увеличивается на 1–2%; энергия прорастания таких семян повышается на 11–16%; увеличивается в 2–2.5 раза длина осевых органов опытных проростков; активируется рост и развитие вегетативных органов надземной и корневой системы опытных растений, что приводит к увеличению общей сырой биомассы на 60–80%; с середины вегетации наблюдается повышенное содержание на 12–25% фотосинтетических пигментов в листьях опытных растений.

Результаты наших исследований показывают, что экологически чистая технология предпосевной обработки семян Lactuca sativa L. плазмой барьерного разряда может применяться в сельском хозяйстве для улучшения их посевных качеств и повышения продуктивности растений.