CC BY
155
21. Brown, C.S., Shuerger, A.C., Sager J.C. Growth and photomorphogenesis of pepper plants under red light-emitting diodes with supplemental blue or far-red lighting. J Am Soc Hortic Sci. 1995.120: 808-813.
22. Rakutko S.A. Kriterij ocenki ehffektivnosti spektral'nogo sostava izlucheniya istochnikov sveta dlya oblucheniya rastenij [Evaluation criterion of effectiveness of the spectral composition of light sources for plant
irradiation]. Agrarnaya nauka. 1995. No. 1: 3132. (In Russian)
23. Rakutko S.A. Povyshenie ehffektivnosti ispol'zovaniya teplichnyh obluchatel'nyh ustanovok na osnove attestacii gazorazryadnyh lamp. [Improving the operating efficiency of greenhouse irradiation units based on the certification of discharge lamps] Saint Petersburg: SPbGAU. 1992: 25 (In Russian)
УДК 581.5: 582.98 DOI 10.24411/0131-5226-2019-10151
СПЕКТРАЛЬНЫЙ СОСТАВ ИЗЛУЧЕНИЯ ВЛИЯЕТ НА СТАБИЛЬНОСТЬ РАЗВИТИЯ МИКРОЗЕЛЕНИ ДАЙКОНА (RHAPHANUS S ATIVUS)
Е.Н. Ракутько; С.А. Ракутько, д-р техн. наук
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) -филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
Светокультура микрозелени является решением проблем повышения безопасности пищевых продуктов, эффективности использования энергии при выращивании продукции, а так же снижения воздействия на окружающую среду. Целью настоящего исследования являлось количественное определение эффекта, оказываемого действием излучения с различным спектральным составом на стабильность развития растений. В качестве объекта исследования взяты растения дайкона (Raphanus sativus) сорта Миноваси РС в ювенильном возрастном состоянии. Посев произвели 5 октября 2018 г в три контейнера, которые были выставлены под облучение с различным спектральным составом. Выращивание завершили 16.10.2018 (на 8-е сутки после появления всходов) в фазе выхода второго настоящего листа у всех растений. В качестве биометрических показателей фиксировали массу растения, содержание в нем сухого вещества, длину гипокотиля; в качестве билатеральных признаков фиксировали длину и ширину семядолей и их оптические плотности в синем, зеленом и красном диапазонах, соответственно, для левой и правой семядоли. Стабильность развития оценивали по величине флуктуирующей асимметрии билатеральных признаков семядолей. Доказан флуктуирующий характер асимметрии измеряемых билатеральных признаков. Растения, выращенные под излучением с различным спектральным составом, имели различные биометрические показатели и величину флуктуирующей асимметрии. Так, под источниками с увеличенной долей зеленого излучения формировались растения с меньшей сырой массой. Выявлено, что в качестве информативного показателя стабильности развития целесообразно использовать флуктуирующую асимметрию, определяемую по оптической плотности семядолей. Большая стабильность развития проростков дайкона (меньшие значения флуктуирующей асимметрии) наблюдалась под спектром, при котором и продуктивность растения по сырой массе семядолей также большая.
Ключевые слова: светокультура, семядоли, пигменты, оптическая плотность, флуктуирующая асимметрия, микрозелень, дайкон.
ISSN 0131-5226. Теоретический и научно-практический журнал. _ИАЭП. 19 Вып. 2(99)_
Для цитирования. Ракутько Е.Н., Ракутько С.А. Спектральный состав излучения влияет на стабильность развития микрозелени дайкона (RHAPHANUS SATIVUS) // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2019. № 2(99). С.71-85
LIGHT QUALITY FROM DIFFERENT LIGHTING SOURCES IMPACTS THE DEVELOPMENTAL STABILITY OF RHAPHANUS SATIVUS MICROGREENS
E.N. Rakutko, S.A. Rakutko, DSc (Eng)
Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of of FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia
Growing microgreens under the indoor lighting is a solution to the problems of improving the food safety and energy efficiency in agri-food production, as well as of environment impact control. The purpose of this study was to quantify the effect of radiation with different light quality on the plant developmental stability. The study object was the plants of daikon (Raphanus sativus) of Minovasi PC variety in the juvenile phase. The seeds were sown on October 5, 2018 in three containers, which were exposed to the radiation with different light quality. The growing was completed on October 16, 2018, on the 8th day after the shoots emergence, when the second true leaves appeared on all plants. The plant mass, plant dry matter content and hypocotyl length were recorded as biometric indicators. The length and width of the left and right cotyledons and their optical densities in the blue, green and red ranges were recorded as bilateral traits. The developmental stability was estimated by the fluctuating asymmetry index of the bilateral traits of the cotyledons. The fluctuating nature of the asymmetry of the measured bilateral traits was proved. The plants grown under the radiation with different light quality had different biometric indicators and the fluctuating asymmetry index. Thus, the plants grown under the sources with a higher share of green radiation had smaller wet mass. It was found reasonable to use the fluctuating asymmetry determined by the optical density of the cotyledons as an informative indicator of the developmental stability of plants. The greater developmental stability of daikon seedlings, i.e. smaller values of fluctuating asymmetry, was observed under the spectrum, which also produced the bigger wet mass of cotyledons.
Keywords: indoor plant lighting, cotyledon, pigment, optical density, fluctuating asymmetry, microgreens, daikon.
For citation: Rakutko E.N., Rakutko S.A. Light quality from different lighting sources impacts the developmental stability of Rhaphanus Sativus microgreens. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2019. 2(99): 71-85. (In Russian)
Введение
Важнейшими проблемами современного сельскохозяйственного производства
являются безопасность пищевых продуктов, воздействие на окружающую среду и эффективность использования энергии при выращивании продукции. Решением этих проблем является светокультура, т.е. выращивание растений с применением
искусственного облучения. В настоящее время широкой популярностью у потребителей пользуются проростки съедобных овощей и трав на ранних стадиях роста - микрозелень (microgreens) и молодые листья растений (baby greens). Несмотря на свои небольшие размеры, они обладают интенсивным ароматом и используются в кулинарии для улучшения вкуса, цвета и
текстуры различных блюд, а так же как съедобный гарнир или ингредиент салата. Основное различие между терминами состоит в том, что микрозелень срезают на уровне гипокотиля при появлении первых настоящих листьев, а молодые листья -после их развития, в возрасте около 21 дня после прорастания [1].
Семядоли имеют более высокую концентрацию питательных веществ по сравнению с зрелыми листьями, благодаря чему микрозелень относят к группе функциональных продуктов питания. Выращивание микрозелени весьма выгодно по причине ее высокой рыночной стоимости. Если цена тепличного салата составляет 800 руб за кг, то цена микрозелени достигает 2200 руб за кг (по данным Яндекс. Маркет на февраль 2019 г).
Значительное влияние на синтез и распад полезных соединений в микрозелени оказывают факторы внешней, в том числе световой, среды. На сегодняшний день наиболее эффективными источниками излучения в светокультуре являются светодиоды [2]. Важнейшим преимуществом использования светодиодов является возможность управлять качеством световой среды, от которой непосредственно зависят рост и морфогенез растений. Выявлено, микрозелень так же чувствительна к интенсивности излучения и его спектральному составу, как и взрослые растения.
Известно, что низкий уровень облучения может вызвать накопления нитратов [3]. Высокие уровни облучения активируют фотозащитные механизмы, которые влияют на производство первичных и вторичные метаболитов в растениях. Растения акклиматизируются к высоким уровням света за счет увеличения интенсивности синтеза таких важных в питании человека соединений, как аскорбата, глутатиона, каротиноидов, а-токоферола, имеющих
антиоксидантные способности [4]. Так, капусту «Winterbor» и шпинат «Melody» выращивали в культуре питательных растворов в камерах роста при уровнях фотонной облученности от 125 до 620 мкмоль.с-1.м-2. Наибольшее количество каротиноидов и хлорофиллов наблюдались при уровнях 335 мкмоль.с-1.м-2 для капусты (при существенно выраженном максимуме) и 200 мкмоль.с-1.м-2 для шпината (при не ярко выраженных различиях) [5].
Выявлено влияние излучения различных длин волн на содержание отдельных веществ в микрозелени. Эксперименты показали, что дополнительное облучение на 520 и 622 нм было более эффективным для уменьшения содержания нитратов, а показатели антиоксидантной системы были увеличены с помощью излучения 595-нм.
Кратковременное облучение потоком с высоким уровнем красного (638 нм) увеличивало количество вторичных метаболитов микроэлементов [6].
Увеличение интенсивности фотонного потока с большой долей красного излучения привело к значительному уменьшению вытягивания гипокотиля микрозелени кольраби (B. oleracea var. Gongylodes «Delicacy Purple»), репы (B. rapa var. rosularis) и горчицы (B. juncea L. «Red Lion»), а так же увеличению количества сухого вещества у китайской листовой капусты (B. rapa var. Chinensis «Rubi F1») и репы [7].
Чувствительность к спектральному составу излучения различна у различных видов микрозелени (больше у ростков пшеницы и чечевицы по сравнению с ростками редиса). Зеленый свет способствует улучшению антиоксидатных свойств: при длине волны 510 нм у семян чечевицы и пшеницы и 595 нм для редиса [8]. Для молодых листьев салата показано, что антиоксидантные свойства зависят от длины волны излучения. Увеличение
содержания витамина С и токоферола наблюдалось при применении более коротковолнового излучения в области ФАР
[9].
Исследовано совместное влияние спектра и интенсивности излучения на рост и развития представителей семейства крестоцветных. Использовали источники с преимущественным излучением в зеленой и красной зоне ФАР, а так же добавкой дальнекрасного излучения при фотонных облученностях 105, 210 и 315 ммольс-1м-2. Выявлена различная направленность действия потока с различным спектром и интенсивностью на содержание макро- и микроэлементов микрозелени различных видов и ее биометрические показатели [10]. От параметров световой среды, в которой развивается растение, зависят так же энергоэффективность и экологичность светокультуры [11, 12].
Несмотря на то, что в ряде исследований выявлено влияние различных условий освещения на рост микрозелени, ее биометрические показатели, насколько нам известно, нет данных о влиянии спектрального состава излучения на стабильность развития микрозелени.
Поэтому целью данного исследования было количественное определение эффекта, оказываемого действием излучения с различным спектральным составом на стабильность развития растений дайкона. Материалы и методы
Измерения проводились в лаборатории энергоэкологии светокультуры института агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства
(ИАЭП) в октябре 2018 года в рамках поисковых исследований.
Технические средства светокультуры Сравнительный эксперимент проводили в камерах лабораторной установки с различными источниками света (рис. 1), изолированных между собой темной шторой.
В процессе эксперимента в каждой зоне поддерживали одинаковый уровень облученности ФАР (100 мкмоль.с-1.м-2) путем изменения высоты подвеса облучателей над верхушками растений по мере их роста.
Неравномерность величины
облученности в контейнерах,
характеризуемая коэффициентом
минимальной освещенность z=Eмах/Еср составляла не более 10 %.
Камера №1 Камера №2 Камера №3
Рис. 1. Источники света в камерах лабораторной установки
В камере №1 использовали облучатель на базе биспектральной индукционной лампы Сатурн С-200 W/RZ мощностью 200 Вт. Спектр излучения в области ФАР имеет характерный для люминесцентных ламп вид
с небольшим превышением доли энергии в красном диапазоне над синим (Д:В=1,3). Доля дальнекрасного излучения мала ^^=7,1).
В камере №2 использовали светодиодный излучатель на базе двух СД матриц. Мощность излучателя 100 Вт. Спектр излучения состоит из узкого пика на длине волны 446 нм (полуширина 23 нм) и широкой полосы с максимумом на длине волны 560 нм (полуширина 133 нм), охватывающей зеленую и красную части спектра. Доли потоков в синем и красном диапазоне практически равны (R:B=1,0). Доля дальнекрасного излучения так же мала (R:FR=8,4). Основное отличие спектра данного излучателя от предыдущего состоит в существенно большей доли зеленого излучения (48,1% против 33,6%).
В камере №3 использовали светодиодный фитооблучатель «Оптолюкс-Спэйс-Агро». Мощность облучателя 140 Вт. Спектр излучения состоит из узкого пика на длине волны 453 нм (полуширина 23 нм) и широкой полосы с максимумом на длине волны 663 нм (полуширина 103 нм), охватывающей красный и дальнекрасный диапазон. Доля энергии в красном диапазон существенно превышает долю энергии в синем (R:B=2,2). По сравнению с облучателями №1 и №2 значительно увеличена доля дальнекрасного излучения (R:FR=2,1).
У облучателей №1 и №2 большая доля потока излучения сосредоточена в близи максимальной чувствительности глаза (кривая В на рисунке 2). Поэтому, при одинаковых фотонных облученностях, освещенность, создаваемая данными источниками достаточно велика
(соответственно 9,8 и 11,2 кЛк).
Наоборот, поток облучателя №3 минимален в этой спектральной области. На глаз это воспринимается так, что растения выглядят наименее освещенными (3,1 лк).
Спектральная плотность фотонной облученности PAR (photosynthetic photon flux density, PPFD) источников была
измерена прибором ТКА ВД/04 и показана на рисунке 2.
400 500 600 700 800
Длина в олны, нм
Рис. 2. Спектральная плотность потока
Состав потока излучения
характеризовали соответствующими долями энергий, %, в отдельных спектральных поддиапазонах (синий В, зеленый G, красный R, дальнекрасный FR) отнесенных к общей энергии ФАР (рис. 3).
70,0
^о 60,0
й
В 50,0
I
I 40,0
I 30,0
к
8 20,0
^ 10,0 0,0
№1 №2 №3
Источник света
Рис. 3. Качественный состав излучения в камерах
Параметры облучения растений показаны в таблице 1. Указана так же высота подвеса источников (Н, см) и освещенность Е, клк.
Таблица 1 Параметры облучения растений
Показатель Камера
№1 №2 №3
Н, см 49,0 36,0 125,0
Е, кЛк 9,8 11,2 3,1
В, % 28,6 25,9 28,8
G, % 33,6 48,1 9,3
R, % 37,8 26,0 61,9
FR, % 5,4 3,1 29,2
R:B 1,3 1,0 2,2
R:FR 7,1 8,4 2,1
Растительный материал
В качестве объекта исследования взяты растения дайкона (Raphanus sativus) сорта Миноваси РС в ювенильном возрастном состоянии. На этом этапе онтогенеза происходит становление внутренних структур растительного организма, поэтому исследование процессов роста и развития в данный период в зависимости от факторов среда на уровне целого организма представляет как теоретический, так и практический интерес.
Микрозелень дайкона характеризуется высокой концентрацией токоферолов (витамин Е, выполняющий антиоксидантные функции [13]. Содержание основных компонентов в проростках дайкона в расчете на 100 г: углеводы, г, неволокнистые - 2.7, волокнистые - 1.1; витамины, мг%: С - 70, каротин - 1.7, В1 - 0.08, В2 - 0.25, РР - 0.5; минеральные вещества, мг%: Са - 140, P -65, K - 420, Fe - 1.2, на - 10 [14]. Использование в пищу проростков дайкона в стадии семядолей очень полезно для здоровья [15].
Рис. 4. Внешний вид микрозелени дайкона в контейнерах
Дайкон относится к длиннодневной группе и требователен к интенсивности освещения [16]. Выявлено влияние спектрального состава излучения на динамику биометрических и физиологиеских показателей проростков дайкона. Установлено положительное действие синего и дальнекрасного диапазона на содержание хлорофилла и витамина С [17]. В онтогенезе дайкона его жизненный цикл подразделяется на три периода, каждый из которого слагается из трех фенологических фаз: семенной период (эмбриональная фаза, фаза покоя до появления всходов, фаза прорастания семян), который заканчивается раскрытием семядолей и появлением первого настоящего листа; вегетатвный период (фаза роста, фаза накопления запасных веществ корнеплодом, фаза покоя вегетативных органов при хранении); репродуктивный период (фаза бутонизации,
цветения и плодоношения) [18]. Расположение листьев дайкона в вегетативный период - розеточное. Настоящие листья - узколировидные, рассеченые на пары боковых долей. Верхняя доля округлая. Окраска светло-зеленая. Специфическая архитектоника пластинки листа и розетки листьев имеют адаптивную природу и позволяют растениям дайкона более эффективно использовать солненую энергию и обеспечивает высокую интенсивность фотосинтеза и
продуктивность [19].
Рис. 5. Микрозелень дайкона
Семян дайкона сорта Миноваси РС обработали в течение 15 мин слабым раствором марганцовокислого калия и замочили в растворе эпина. Посев семян был произведен 5 октября 2018 г в три деревянных контейнера размерами 450х450х100 мм. В каждом контейнере посев производили в 6 рядов, по 6 лунок в ряду, по 2-3 семечка в лунку, на глубину 1 см. Контейнеры накрыли стеклом и поместили в темное место при температуре воздуха +23 оС. После полного появления всходов 8.10.2018 контейнеры выставили в камеры под источники света с фотопериодом Т=16 ч (с 6.00 до 22.00 ч). Температуру воздуха поддерживали на уровне 19-21 оС, влажность воздуха 65-75%. Лишние растения были убраны 11.10.2018, в каждой лунке оставлено по одному проростку. Контейнеры подсыпали почвой слоем 1 -1,5 см.
Первый настоящий лист на всех контейнерах появился 12.10.2018. В фазе выхода второго настоящего листа у всех растений 16.10.2018 (на 8-е сутки после появления всходов) выращивание
завершили.
Рис. 6. Измерение биометрических параметров растений в лаборатории
Развитие семядолей начинается еще в семени, на недифференцированном зародыше. Семядоли дайкона имеют обратно-сердцевидную форму и по своему анатомическому строению и функциям отличаются от настоящих листьев, образующихся на конусе нарастания побега (рис. 5). Для измерений использовали нормально развитые растения: из камеры №1 - 34 шт, №2 - 33 шт и №3 - 35 шт.
В качестве биометрических показателей фиксировали массу растения м, г; содержание в нем сухого вещества ^, %; длину гипокотиля 1, мм; в качестве билатеральных признаков (БП) фиксировали
длины (^, ^) и ширины (^, ггк) семядолей и их оптические плотности в
т
WD
ть
синем ( ь.
Г)ь Г)£
) зеленом (т ,
'к
) и
( ^
тк)
диапазонах и правой
красном
соответственно для левой семядоли.
Значение показателя ФА для билатерального признака Р вычисляли по формуле:
, N Р - Р
ФАР = 1 Рк
Р АТ <
где
1 -
N^1^1 + Рк,),
номер растения, N - количество
измерений.
Определение массы растения и
содержания сухого вещества
Сырую и сухую биомассу растительного материала определяли гравиметрическим методом. Растение вынимали из почвы вместе с корнем, поддев его шпателем, затем корень обрывали по корневую шейку (рис. 6). Собранные с одного контейнера растения (после проведения других необходимых измерений) измельчали ножницами. Сырую массу определяли взвешиванием на весах ВТЛ-500 с точностью ± 10 мг. Сухую массу определяли после высушивания материала при 105оС до постоянного веса. Содержание сухого вещества рассчитывали, исходя из отношения разности сырой и сухой биомассы к сырой массе. Измерение длин гипокотиля и семядолей
Для определения длин использовали мерную линейку с ценой деления 1 мм. Длину гипокотиля определяли между корневой шейкой и узлом семядолей. Длины семядолей определяли вдоль их главной жилки. Результаты фиксировали с точностью ± 0,5 мм.
Измерение ширины семядолей
Измерения проводили в наиболее широкой части семядолей с помощью штангенциркуля с точностью 0,1 мм. Определение оптической плотности
Для определения оптической плотности листьев растений использован денситометр ДП-1М, в спектральных диапазонах светофильтров группы «А»: синем (421-467 нм), зеленом (511-562 нм) и красном (607676 нм). Измерения проводили при диафрагме диаметром 5 мм.
На рисунке 7 показаны
экспериментальные растения дайкона, на рисунке 8 - схема измеряемых БП семядолей.
Рис. 7. Растения дайкона в возрасте 8
суток
Данные обрабатывали методами
математической статистики (p<0.05) с использованием пакетов программ Excel 2003 и Statistica 6.0. Статистическая обработка результатов включала проверку данных на нормальность распределения величины разницы между БП; на присутствие направленной асимметрии и антисимметрии; на зависимость величины асимметрии признака от его размера; сравнение уровня ФА у растений, выращенных под различным спектром.
Первый настоящий лист
Рис. 8. Билатеральные признаки растения дайкона
Результаты и обсуждение
Результаты анализа частоты
встречаемости асимметрии у БП микрозелени дайкона, выращенной при различном спектре, показаны в таблице 2.
Таблица 2
Частота встречаемости, %, асимметричных признаков
БП Камера 1 Камера 2 Камера 3 Max-Min
Ь 82 85 94 12
Ж 65 24 49 41
Бв 91 94 94 3
62 76 66 14
100 100 100 0
Частота встречаемости определялась как доля растений п от общего их количества N у которых наблюдалась асимметрия соответствующих БП, т.е. их численное значение превышало некоторую величину (порог различения).
Данный вид анализа наглядно вскрывает сам факт наличия асимметрии, но не позволяет выявить, какой ее тип имеет место: флуктуирующая, направленная или антисимметрия.
Проверка нормальности распределения данных была выполнена с использованием критериев согласия Колмогорова-Смирнова, Шапиро-Уилка и Лиллиефорса. Анализ показал, что отклонения от нормального закона наблюдаются для растений во втором камере для параметров ширина семядоли и оптическая плотность в зеленом и красном диапазонах. Для единства подхода
использованы непараметрические методы статистического анализа.
Проверка направленности асимметрии, выполненная с использованием
одновыборочного критерия Уилкоксона, показала ее отсутствие для всех признаков растений во всех камерах, т.е. распределение различий БП является статистически однородным и приблизительно симметрично расположенным относительно нулевого значения. Это означает флуктуирующий характер асимметрии признаков
Тестирование на антисимметрию по эксцессу распределения различий между сторонами не выявило наличие антисимметрии у анализируемых признаков.
Проверка размер-зависимости (связи между величиной асимметрии признака и его средним размером) с помощью непараметрического коэффициента ранговой корреляции Спирмена не выявила статистически значимую размер-
зависимость признаков (кроме для длины семядолей в третьей камере).
Уровень ФА и биометрические показатели
В таблице 3 приведены средние значения измеряемых биометрических показателей с указанием ошибки средней и среднеквадратичного отклонения каждого показателя, а так же значения ФА для отдельных БП.
Таблица 3
Значения ФА БП и биометрических показателей
Признаки / Параме Камера
показатели тр P №1 №2 №3
Масса растения м, г X + с 0,71+0,03 0,58+0,03 0,74+0,03
Сод.сухого в-ва ^, % X + с 5,6±0,2 5,8+0,2 6,2+0,2
Длина 1, мм X + С 51,85+1,69 66,03+2,09 75,83+1,67
Длина семядоли Ь , мм X + с 51,59+1,02 52,32+1,35 58,61+1,40
FA 0,0431 0,0536 0,0433
Ширина семядоли Ж, мм X + с 24,48+0,40 22,66+0,49 24,49+0,46
FA 0,0384 0,0275 0,0284
ОП в синем диапазоне X + с 2,29+0,02 2,28+0,03 2,29+0,02
пв п , отн.ед. FA 0,0453 0,0584 0,0429
ОП в зеленом диапазоне X + с 0,84+0,01 0,85+0,02 0,85+0,01
п , отн.ед. FA 0,0470 0,0691 0,0476
ОП в красном диапазоне X + с 1,23+0,01 1,22+0,02 1,22+0,02
п , отн.ед. FA 0,0425 0,0716 0,0490
Представляет интерес выявление взаимосвязи между уровнем ФА, характеризующим стабильность развития растения и интенсивностью синтеза биомассы (продуктивностью растений). На рисунках 9 и 10 попарно для различных камер показаны зависимости средней массы растения и индекса ФА, рассчитанного по сответствующему параметру, для растений, выращенных под различными источниками света.
Наглядно выражена обратная пропорциональность (отрицательный угол наклона) между массой растения и величиной ФА, вычисленной по ширине семядоли и их их оптическим плотностям во всех спектральных диапазонах.
0,80 и 0,75 | 0,70
К
о 0,65
§ 0,60 о й
3 0,55
0,50
0,02
■Db
DG
0,04 0,06
ФА, отн.ед. -DR
W
Рис. 9. Взаимосвязь средней массы растения и уровня ФА в камерах №2 и №3
0,80 и 0,75 | 0,70
а 0,65
а
3 0,60 ä
2 0,55 0,50
0,02 0,04 0,06
ФА, отн.ед.
-с^йЬ □ йв -ь-йН • № -•— I
Рис. 10. Взаимосвязь средней массы растения и уровня ФА в камерах №1 и №2
Совместный анализ таблиц 1 и 3 показывает, что у применяемых в эксперименте источников света различие в спектральном составе по доле синего при попарном сравнении не превышают 3% (соответственно 28,6; 25,9 и 28,8% для трех применяемых источников). С учетом точности спектральных измерений и чувствительности физиологических
процессов в растении к изменению спектра следует считать долю синего потока в излучении источников неизменной.
Увеличение доли зеленого на 14,5 и 38,8% (при одновременном снижении доли красного относительно синего на 23,1% и
54,5% и увеличении относительно дальнекрасного на 18,3% и 300%) привело к уменьшению сырой массы соответственно на 18,3% и 21,6%. При этом снижение доли зеленого на 24,3% (при одновременном увеличении доли красного относительно синего на 69,2% и снижении относительно дальнекрасного на 70,4%) привело к увеличению сырой массы на 4,2%.
10
-10
10 20 Изменение ФА, %
30
40
Рис. 11. Взаимосвязь между изменением величины сырой массы растений и индекса ФА
На рисунках 11 и 12 показаны соответствующие изменения индекса ФА, вычисленного по оптической плотности семядоли в синем диапазоне изменению биометрических параметров растения -сырой массы и длины стебля. Данные графики характеризуют чувствительность (и линейность) соответствующих зависимостей. Выявленно, что хорошая линейность наблюдается для соответствия приращения массы растения приращению величины ФА (Я2=0,9979). Для длины стебля наблюдается меньшая линейная корреляция (Я2=0,7136).
Таким образом, выявлено, что большая стабильность развития проростков дайкона наблюдается под спектром, при котором и продуктивность растения (по сырой массе семядолей) так же большая.
60
40
20
-20
-15
-5
5 15 25 Изменение ФА, %
35
45
Рис. 12. Взаимосвязь между изменением длины стебля растений и индекса ФА
Поток оптического излучения в светокультуре выполняет регуляторную функцию, обеспечивая рост и развитие растений. В зависимости от спектрального состава излучения интенсивность
протекация физиологических процессов в растениях различна.
Факторы внешней среды, и
составляющие качества световой среды в первую очередь, активизируют протекание физиологических процессов у проростков, в частности, увеличивают скорость оттока метаболитов из семядолей при гетеротрофном типе питания.
В дальнейшем роль этих факторов еще больше увеличивается, поскольку при автотрофном питании в растении начинаются процессы синтеза.
При усложнении структурно-
функционального состояния растения факторы световой среды принимают первостепенное значение. По мере становления самоорганизации характер связей растения с факторами среды изменяется от пассивного
пропорционального реагирования к дифференцированному восприятию [20].
В данном исследовании степень интенсивности ростовых процессов в проростках оценивали по накоплению зеленой массы. Стабильность развития растения оценивали по показателю ФА билатеральных структур. Общепринятым
0
0
является вычисление этого показателя по половинкам одного листа. В этом случае билатеральные структуры расположены сравнительно недалеко. Семядоли пространственно разнесены значительно дальше одна от другой, но все еще находятся в одинаковых условиях воздействия факторов. Поэтому именно они использованы для оценки воздействия спектрального состава излучения на стабильность развития проростков. Выводы
1. В результате экспериментов выявлена существенная асимметрия билатеральных структур ювенильных растений дайкона, зависящая от спектрального состава излучения, под которым выращивалось растение. Разница частот встречаемости асимметрии отдельных структур доходит до 41%.
2. Выявленая статистическим анализом ненаправленность асимметрии билатеральных признаков и отсутствие у
них антисимметрии позволяет
классифицировать наблюдаемую
асимметрию как флуктуирующую.
3. Наиболее удобным для измерений билатеральным признаком является оптическая плотность семядолей как билатеральных структур.
4. Растения, выращенные под различным спектральным составом излучения, демонстрируют различные значения ФА, тем меньшие, чем более оптимален данный спектр для растения.
5. Статистически достоверно меньшим значениям ФА (большей стабильности развития растений дайкона) соответствует большая продуктивность (по сырой массе семядолей). Это подтверждает первоначальную гипотезу о том, что большие значения ФА наблюдаются в условиях, менее благоприятных для растений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Treadwell, D.D., R. Hochmuth, L. Landrum, and W. Laughlin. Microgreens: A new specialty crop.Univ. Florida IFAS Ext. Bul. HS1164. 2010.
2. Park Y, Runkle E.S. 2018. Spectral effects of light-emitting diodes on plant growth, visual color quality, and photosynthetic photone efficacy: White versus blue plus red radiation. PloS ONE 13 (8): e0202386. https://doi .org/10.1371/journal.pone.0202386
3. Anjana S.U., Iqbal M., Factors, responsible for nitrate accumulation: a review, J. Sustain. Agric., 2009, 4, 533-549
4. Kopsell D.A., Pantanizopoulos N.I., Sams C.E., Kopsell D.E., Shoot tissue pigment levels increase in 'Florida Broadleaf mustard (Brassica juncea L.) microgreens following high light treatment, Sci. Hort., 2012, 14, 96-99
5. Lefsrud M.G., Kopsell D.A., Curran-Celentano J., Irradiance levels affect growth parameters and carotenoid pigments in kale and spinach grown in a controlled environment, Physiol. Plant., 2006, 127, 624-631
6. Brazaityte A., Virsile A., Samuoliene G., Jankauskiene J., Sakalauskiene S., Sirtautas R., Novickovas A., Dabasinskas L., Vastakaite V., Miliauskiene J., Duchovskis P. Light quality: growth and nutritional value of microgreens under indoor and greenhouse conditions. Acta Hortic. 2016. 1134, 277-284.
7. Samuoliene G., Brazaityte A., Jankauskiene J., Virsile A., Sirtautas R., Novickovas A., Sakalauskiene S., Sakalauskaite J., Duchovskis P. LED irradiance level affects growth and nutritional quality of Brassica microgreen. Cent. Eur. J. Biol. 2013. 8: 1241-1249
8. Samuoliene G., Urbonaviciute A., Brazaityte A., Sabajeviene G., Sakalauskaite J., Duchovskis P. The impact of LED illumination on antioxidant properties of sprouted seeds, Cent. Eur. J. Biol., 2011, 6, 68-74.
9. Samuoliene G., Sirtautas R., Brazaityte A., Duchovskis P. LED lighting and seasonality effects antioxidant properties of baby leaf lettuce. Food Chem., 2012, 134, 1494-1499.
10. Gerovac Joshua R., Craver Joshua K., Boldt Jennifer K., Lopez Roberto G. Light intensity and quality from sole-source light-emitting diodes impact growth, morphology, and nutrient content of Brassica microgreens. HortScience. 2016. 51: 497-503.
11. Ракутько С.А. Повышение эффективности использования тепличных облучательных установок на основе аттестации газоразрядных ламп. СПб: СПбГАУ. 1992. 25 с.
12. Ракутько С.А., Ракутько Е.Н. Оценка энергоэффективности источников оптического излучения для растений с позиций прикладной теории энергосбережения // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. 2015. № 39. С. 359-366.
13. Xiao, Z., Lester G.E., Luo Y., Wang Q. Assessment of vitamin and carotenoid concentrations of emerging food products: Edible microgreens. J. Agr. Food Chem. 2012. 60:7644-7651.
14. Бунин М.С. Дайкон - качественно новый для России овощ // Картофель и овощи.-1992.-№9.-С.10-14.
15. Швецов А.М., Федоров А.В., Папонов А.Н. Дайкон - перспективная культура для Нечерноземной зоны // Картофель и овощи. -2006.-№6.-С.20.
16. Зуев В.И., Атаходжаев А.А., Мавлянова Р.Ф., Кадырходжаев А.К., Акрамов У.И. Дайкон - ценная овощная культура. Ташкент, Ташкентский государственный аграрный университет, 2008.- 227 с.
17. Горелова С.В., Песцов Г.В., Гинс М.С., Лапина О.Ю. Влияние спектрального состава света на динамику биометрических и физиологических показателей проростков дайкона // Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования: Материалы V Международного симпозиума 9-14 июля 2003 г. Пущино.- М.: РУДН, 2003.-Т. 3.- С.58-61.
18. Пивоваров В.Ф. Сладкая редька - дайкон // Селекция и семеноводство овощных культур - М.: ВНИИССОК, 1999 - Т.2.-С.62-66.
19. Сазонова Л.В. Внутривидовая классификация корнеплодных форм Raphanus К // Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. - Ленинград: ВИР, 1971.-Т.45.-Вып. 1. - С.42-75.
20. Белоусов Л.В. Биологический морфогенез. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1987. — 239 с.
REFERENCES
1. Treadwell, D.D., R. Hochmuth, L. Landrum, and W. Laughlin. Microgreens: A new specialty crop. Univ. Florida IFAS Ext. Bul. HS1164. 2010.
2. Park Y, Runkle E.S. 2018. Spectral effects of light-emitting diodes on plant growth, visual color quality, and photosynthetic photone efficacy: White versus blue plus red radiation.
PloS ONE 13 (8): e0202386. https://doi.org/10.1371/joumal.pone.0202386
3. Anjana S.U., Iqbal M., Factors, responsible for nitrate accumulation: a review, J. Sustain. Agric., 2009, 4, 533-549
4. Kopsell D.A., Pantanizopoulos N.I., Sams C.E., Kopsell D.E., Shoot tissue pigment levels increase in 'Florida Broadleaf mustard
(Brassica juncea L.) microgreens following high light treatment, Sci. Hort., 2012, 14, 96-99
5. Lefsrud M.G., Kopsell D.A., Curran-Celentano J., Irradiance levels affect growth parameters and carotenoid pigments in kale and spinach grown in a controlled environment, Physiol. Plant., 2006, 127, 624-631
6. Brazaityte A., Virsile A., Samuoliene G., Jankauskiene J., Sakalauskiene S., Sirtautas R., Novickovas A., Dabasinskas L., Vastakaite V., Miliauskiene J., Duchovskis P. Light quality: growth and nutritional value of microgreens under indoor and greenhouse conditions. Acta Hortic. 2016. 1134, 277-284.
7. Samuoliene G., Brazaityte A., Jankauskiene J., Virsile A., Sirtautas R., Novickovas A., Sakalauskiene S., Sakalauskaite J., Duchovskis P. LED irradiance level affects growth and nutritional quality of Brassica microgreen. Cent. Eur. J. Biol. 2013. 8: 1241-1249
8. Samuoliene G., Urbonaviciute A., Brazaityte A., Sabajeviene G., Sakalauskaite J., Duchovskis P. The impact of LED illumination on antioxidant properties of sprouted seeds, Cent. Eur. J. Biol., 2011, 6, 68-74.
9. Samuoliene G., Sirtautas R., Brazaityte A., Duchovskis P. LED lighting and seasonality effects antioxidant properties of baby leaf lettuce. Food Chem., 2012, 134, 1494-1499.
10. Gerovac Joshua R., Craver Joshua K., Boldt Jennifer K., Lopez Roberto G. Light intensity and quality from sole-source light-emitting diodes impact growth, morphology, and nutrient content of Brassica microgreens. HortScience. 2016. 51: 497-503.
11. Rakutko S.A. Povyshenie ehffektivnosti ispol'zovaniya teplichnyh obluchatel'nyh ustanovok na osnove attestacii gazorazryadnyh lamp. [Improving the operating efficiency of greenhouse irradiation units based on the certification of discharge lamps] Saint Petersburg: SPbGAU. 1992: 25 (In Russian).
12. Rakutko S.A., Rakutko E.N. Ocenka ehnergoehffektivnosti istochnikov opticheskogo izlucheniya dlya rastenij s pozicij prikladnoj
teorii ehnergosberezheniya [Evaluation of the energy efficiency of optical radiation sources for plants from the standpoint of an applied theory of energy saving]. Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. 2015. № 39. S. 359-366. (In Russian)
13. Xiao, Z., Lester G.E., Luo Y., Wang Q. Assessment of vitamin and carotenoid concentrations of emerging food products: Edible microgreens. J. Agr. Food Chem. 2012. 60:7644-7651.
14. Bunin M.S. Dajkon - kachestvenno novyj dlya Rossii ovoshch [Daikon is a qualitatively new vegetable for Russia]. Kartofel' i ovoshchi. 1992. No. 9:10-14. (In Russian)
15. Shvetsov A.M., Fedorov A.V., Paponov A.N. Dajkon - perspektivnaya kul'tura dlya Neernozemnoj zony [Daikon - promising culture for the Nonchernozem zone]. Kartofel' i ovoshchi. 2006. No. 6: 20. (In Russian)
16. Zuev V.I., Atahodzhaev A.A., Mavlyanova R.F., Kadyrhodzhaev A.K., Akramov U.I. Dajkon - cennaya ovoshchnaya kul'tura [Daikon - a valuable vegetable crop]. Tashkent, Tashkent State Agr. Univ. 2008: 227. (In Russian)
17. Gorelova S.V., Pescov G.V., Gins M.S., Lapina O.YU. Vliyanie spektral'nogo sostava sveta na dinamiku biometricheskih i fiziologicheskih pokazatelej prorostkov dajkona [The influence of the spectral composition of light on the dynamics of biometric and physiological indicators of daikon seedlings]. Novye i netradicionnye rasteniya i perspektivy ih ispol'zovaniya [New and unconventional plants and their use prospects: Proc. V Int. Symp.] Moscow: RUDN, 2003.vol. 3: 58-61. (In Russian)
18. Pivovarov V.F. Sladkaya red'ka - dajkon [Sweet radish - daikon]. Selekciya i semenovodstvo ovoshchnyh kul'tur [Selection and seed production of vegetable crops] Moscow: VNIISSOK, 1999. vol. 2: 62-66. (In Russian)
19. Sazonova L.V. Vnutrividovaya klassifikaciya korneplodnyh form Raphanus L. [Intraspecific Classification of Raphanus Root Forms]. Trudy po prikladnoj botanike, genetike i selekcii.[ Works on applied botany, genetics
and selection]. Leningrad: VIR, 1971. Vol. 45. No. 1: 42-75. (In Russian) 20. Belousov L.V. Biologicheskij morfogenez [Biological morphogenesis]. Moscow: Moscow Univ, Publ. 1987: 239. (In Russian).
УДК 581.5: 582.98 DOI 10.24411/0131-5226-2019-10152
ОПТИМИЗАЦИЯ ФОТОННОЙ ОБЛУЧЕННОСТИ РАССАДЫ ТОМАТА (LYCOPERSICUM ESCULENTUM MILL.) ДЛЯ РАЗЛИЧНОГО СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА ИЗЛУЧЕНИЯ
С.А. Ракутько, д-р техн. наук; А.П. Мишанов;
А.Е. Маркова, канд. с.-х. наук; Е.Н. Ракутько
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) -филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
Томат является одной из самых популярных и востребованных культур, как России, так и во всем мире. Выращивание качественной рассады томата является залогом получения конечного урожая плодов гарантированного качества. Для обеспечения круглогодичного производства во многих регионах томат выращивают в условиях светокультуры, что значительно повышает требования к энергоэкологичности производства. Целью данного исследования являлось выявление и количественная оценка эффекта от действия различной облученности от источников с различным содержанием синего излучения в спектре на рост и развитие рассады томата. Исследовали биометрические параметры 39-дневной рассады, выращенной под различными облучательными установками. Облучатели представляли комбинацию люминесцентных ламп различного спектрального состава и дополнительные светодиодные источники синего излучения. В качестве величины, характеризующей спектр излучения, принята доля потока синего излучения к потоку остальной части ФАР - RB (синее отношение). В эксперименте различие величины RB для вариантов опыта составило 10%: численное значение для спектра I равно 0,6 и для спектра II - 0,5 отн.ед. Растения выращивали с фотопериодом 16 ч при облученностях 100, 170 и 240 мкмольс-1.м-2. На основе экспериментальных данных произведено математическое описание основных биометрических параметров растений. Выявлена достаточная чувствительность этих параметров к различиям в синем диапазоне излучения. Найдены оптимумы энергоемкости преобразования потока излучения в сухое вещество листьев: для спектра I минимальное значение энергоемкости составляет 6,97 моль.г-1 при облученности 141,8 мкмольс-1.м-2. Для спектра II минимальное значение энергоемкости составляет 7,62 моль.г-1 при облученности 129,6 мкмольс-1.м-2.
Ключевые слова: светокультура, спектр, облученность, энергоэкологичность.
Для цитирования: Ракутько С.А., Маркова А.Е., Мишанов А.П., Ракутько Е.Н. Оптимизация фотонной облученности рассады томата (LYCOPERSICUM ESCULENTUM MILL.) для различного спектрального состава излучения // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2019. № 2 (99). С.85-100
