eng
Выпуск #3/2023
Э. А. Соснин, В. А. Панарин, В. С. Скакун, Д. А. Сорокин, Е. Н. Сурнина, И. А. Викторова, Л. В. Лящева
Влияние имитатора солнечного УФБ-излучения на посевные качества семян и продуктивность хозяйственно-ценных растений
Влияние имитатора солнечного УФБ-излучения на посевные качества семян и продуктивность хозяйственно-ценных растений
Просмотры: 846
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2023.17.3.238.248
Представлены результаты многолетних лабораторных и полевых исследований действия УФБ-излучения на прорастание, рост и урожайность хозяйственно-ценных растений. Объекты исследований – семена огурца, льна, моркови, пшеницы, гречихи, баклажана, сосны и туи, клубни картофеля, саженцы яблони и черенки винограда. Выполненные исследования доказывают гипотезу о необходимости применения субдоз УФБ-излучения для компенсации недостатка солнечного ультрафиолетового излучения при выращивании растений в теплицах или северных широтах России. Определено место полученных результатов в общем объеме мировых исследований. Описаны конструкции облучателей на основе эксиламп, позволяющие проводить обработку посевного материала как в лабораторных условиях, так и в полевых. На примере четырехлетних полевых исследований, выполненных на пшенице, доказана практическая применимость и перспективность предложенного метода обработки при решении актуальных задач по переходу к высокопродуктивному агрохозяйству.
Представлены результаты многолетних лабораторных и полевых исследований действия УФБ-излучения на прорастание, рост и урожайность хозяйственно-ценных растений. Объекты исследований – семена огурца, льна, моркови, пшеницы, гречихи, баклажана, сосны и туи, клубни картофеля, саженцы яблони и черенки винограда. Выполненные исследования доказывают гипотезу о необходимости применения субдоз УФБ-излучения для компенсации недостатка солнечного ультрафиолетового излучения при выращивании растений в теплицах или северных широтах России. Определено место полученных результатов в общем объеме мировых исследований. Описаны конструкции облучателей на основе эксиламп, позволяющие проводить обработку посевного материала как в лабораторных условиях, так и в полевых. На примере четырехлетних полевых исследований, выполненных на пшенице, доказана практическая применимость и перспективность предложенного метода обработки при решении актуальных задач по переходу к высокопродуктивному агрохозяйству.
Теги: biophotonics economically valuable plants excilamp growth and development hormesis solar ultraviolet uvb radiation биофотоника гормезис рост и развитие солнечный ультрафиолет уфб-излучение хозяйственно-ценные растения эксилампа
Влияние имитатора солнечного УФБ-излучения на посевные качества семян и продуктивность хозяйственно-ценных растений
Э. А. Соснин 1, 2, В. А. Панарин 1, В. С. Скакун 1, Д. А. Сорокин 1, Е. Н. Сурнина 2, И. А. Викторова 3, Л. В. Лящева 4
ФГБУН «Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук», Томск, Россия
ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский государственный университет», Томск, Россия
Томский сельскохозяйственный институт ‒ филиал ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный аграрный университет», Новосибирск, Россия
ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья», Тюмень, Россия
Представлены результаты многолетних лабораторных и полевых исследований действия УФБ-излучения на прорастание, рост и урожайность хозяйственно-ценных растений. Объекты исследований – семена огурца, льна, моркови, пшеницы, гречихи, баклажана, сосны и туи, клубни картофеля, саженцы яблони и черенки винограда. Выполненные исследования доказывают гипотезу о необходимости применения субдоз УФБ-излучения для компенсации недостатка солнечного ультрафиолетового излучения при выращивании растений в теплицах или северных широтах России. Определено место полученных результатов в общем объеме мировых исследований. Описаны конструкции облучателей на основе эксиламп, позволяющие проводить обработку посевного материала как в лабораторных условиях, так и в полевых. На примере четырехлетних полевых исследований, выполненных на пшенице, доказана практическая применимость и перспективность предложенного метода обработки при решении актуальных задач по переходу к высокопродуктивному агрохозяйству.
Ключевые слова: биофотоника, гормезис, рост и развитие, солнечный ультрафиолет, УФБ-излучение, хозяйственно-ценные растения, эксилампа
Статья получена:01.03.2023
Статья принята:21.03.2023
В 2023 году исполняется 20 лет с момента начала исследований действия УФБ- и УФС-излучения эксиламп на развитие растений в лаборатории оптических излучений Института сильноточной электроники СО РАН.
Эксилампы ‒ обобщающее название класса устройств, излучающих узкополосное спонтанное ультрафиолетовое (УФ) и/или вакуумное ультрафиолетовое (ВУФ) излучение эксимерных и эксиплексных молекул. Узкополосный спектр излучения и сравнительное разнообразие в конструктивном исполнении облучателей на основе эксиламп позволяют широко использовать такие источники излучения для решения различных научных и практических задач (микроэлектроника, инактивация вирусов и бактерий, фотохимия, лечение кожных заболеваний) [1‒4]. В настоящей статье будет сделан выборочный обзор результатов исследований действия низкодозового излучения XeCl-эксиламп на развитие хозяйственно-ценных растений, полученных в сотрудничестве с несколькими академическими организациями Российской Федерации (с акцентом на результаты нескольких последних лет).
Поясним причину выбора указанного источника излучения и низкодозовый режим облучения для работы. Специалистам известно, что действие того или иного стрессового фактора на биологические объекты существенно зависит как от самого объекта, так и от природы и дозы действующего фактора [6–8]. Это явление было названо гормезисом. В настоящее время он определяется как двухфазная зависимость «доза – эффект», при которой субдозы действующего фактора оказывают стимулирующее (положительное) влияние на биологический объект, а высокие дозы фактора оказывают ингибирующее воздействие. Аналогичный смысл имеет иностранный термин «priming» или закалка, но применяется только по отношению к посевному материалу. При этом закалка может осуществляться как химическими, так и физическими факторами [9‒11].
В нашем цикле исследований в качестве фактора закалки было выбрано ультрафиолетовое излучение Б-типа (290 < λ < 320 нм) или УФБ-излучение. Гипотеза о том, что этот фактор при определенных дозах должен вызывать гормезис была впервые высказана нами в 2013 году [12]. Мы исходили из того, что в естественных условиях солнечного освещения поверхности Земли доля УФБ-излучения в общем лучистом потоке составляет в среднем не более от 1 до 10%, что зависит от атмосферных условий и активности Солнца [13, 14]. Фактически, это означает, что поверхности планеты достигают субдозы УФБ-излучения, которое, как мы предположили, может играть важную роль в инициировании прорастания и первичной фоторегуляции роста растений.
Для проверки этого утверждения и имитации солнечного края УФ-излучения мы использовали эксилампы барьерного разряда на молекулах XeCl* (XeCl-эксилампы), типичный спектр которых показан на рис. 1. Он представляет собой узкую полосу излучения в диапазоне длин волн λ ~ 290–320 нм (B → X переходы молекул XeCl*) с максимумом излучения на λ = 308 нм и полушириной полосы Δλ1/2 = 1,9 нм. По рисунку видно, что этот спектр перекрывает коротковолновый край солнечного излучения, поэтому лампа может использоваться для компенсации недостатка этого излучения при выращивании растений в теплицах или северных широтах, т. е. в условиях, когда этот фактор окружающей среды блокируется по различным причинам. В этом смысле нашу гипотезу далее можно было называть компенсаторной.
Для исследований было разработано несколько моделей облучателей на основе XeCl-эксиламп. Первая модель (BD_P ‒ barrier discharge, portable), показанная на рис. 2(a), представляет собой портативный облучатель, в котором эксилампа 1 помещена в корпус 2 и снабжена отражателем 3. Облучатель питается от сети ~220 В, но впоследствии, для работы в Государственном аграрном университете Северного Зауралья (ГАУ СЗ, г. Тюмень) была создана модель лампы с автономным аккумуляторным питанием. Охлаждение лампы осуществляется внешним воздухом с помощью вентилятора, размещенного в корпусе (на рис. 2а), чего достаточно для ее стабильной работы. Такой облучатель, как показала практика, удобен для проведения лабораторных или полевых экспериментов, где объемы облучаемого материала невелики.
Другая модель (BD_InI ‒ barrier discharge, inner irradiation) использует возможности различного конструктивного исполнения эксиламп. Если в модели (а) излучение выводится наружу из коаксиальной колбы эксилампы через перфорированный внешний электрод, то в модели, показанной на рис. 2(b), внутренний электрод выполнен перфорированным, а внешний ‒ отражающим, поэтому излучение концентрируется во внутренней полости эксилампы (см. подробнее о различном конструктивном исполнении эксиламп в [2, 3]). Таким образом, эта модель отличается повышенной производительностью за счет того, что облучаемый посевной материал располагается в непосредственной близости от внутренних стенок эксилампы, что почти полностью снимает потери излучения на транспортировку. Посевной материал загружается в воронку 5 и проталкивается шнеком 4 внутрь колбы. Если в модели (а) набор субдозы посевным материалом может занимать несколько минут, то в модели (b) время обработки сокращается на порядок.
Модель, показанная на рис. 2c, разработана для эксплуатации в сильно запыленных помещениях, что типично как для работы в поле, так и в зернохранилищах (BD_DF ‒ barrier discharge, dust free). Для этого и эксилампа 1, и источник питания помещены в металлический корпус, а излучение выводится наружу через кварцевое окно 7. Это обеспечивает изоляцию элементов облучателя от агрессивных воздействий внешней среды. Данная модель была использована нами при проведении и лабораторных, и полевых исследований.
Типовая длина эксиламп для моделей (а) и (с) составляла 10–12 см, а для модели (b) ‒ 43 см. В последнем случае это также увеличивало производительность установки. Модели (а) и (с) обеспечивали энергетическую светимость на поверхности эксиламп от 15 до 30 мВт/см2, а модель (b) ‒ до 120 мВт/см2 соответственно, хотя эти значения могли перестраиваться в ходе выполнения экспериментов.
Первая экспериментальнвя проверка компенсаторной гипотезы была проведена в 2005 году. Для этого были взяты 50‑дневные проростки кедра сибирского (Pinus sibirica Du Tour), ели аянской (Picea ajanensis Lindl. et Gord. (Fisch. ex Carr.)) и лиственницы Каяндера (Larix cajanderi Mayr (Worosch.)), выращенных в лабораторных условиях. Выбор объектов был обусловлен различной биологией и экологией этих видов. Кроме того, известно, что хвойные растения характеризуются повышенной устойчивостью к УФ-излучению: наиболее сильное воздействие УФ-излучения испытывают хвойные на севере бореальной зоны и в горах, так как в весенний период отражательная способность снега и льда может увеличивать дозу поглощаемого деревьями ультрафиолетового излучения почти в два раза [16]. Для облучения применяли как XeCl, так и KrBr-эксилампу. Последняя была взята для сравнения, обеспечивая максимум облучения на λ = 206 нм (участок УФС-излучения). Было показано, что в обоих случаях обработка субдозами 3,6 мДж/м−2 являлась стрессовым фактором для пигментного фонда фотосинтетического аппарата растений. Однако УФБ-излучение при этом стимулировало синтез хлорофилла в листьях [17]. Это свидетельствовало о проявлении фоторегуляторного эффекта узкополосного УФБ-излучения, подтверждая возможность повышения продуктивности растений.
На основе полученных данных было принято решение о продолжении исследований, для чего в разные годы были привлечены специалисты НИ ТГУ (г. Томск), ТСХИ ‒ филиал ФГБОУ ВО НГАУ (г. Томск) и ГАУ СЗ. Основные результаты, полученные с 2014 по 2022 годы, собраны в таблице. В большинстве случаев обработка УФБ-излучением была однократной и применялась по отношению к посевному материалу перед посадкой. Проводились лабораторные и полевые исследования, в т. ч. тепличное культивирование в защищенном грунте. В некоторых экспериментах предпосевная обработка семян дополнялась использованием препаратов, стимулирующих рост вегетирующих растений или био-инсектицидов.
Видно, что экспериментальная проверка подтвердила обоснованность компенсаторной гипотезы в приложении к семенам различных культур (лен, огурцы, пшеница, салат, кедр, баклажан, туя), к саженцам и черенкам (виноград, яблоня) и к клубням (картофель) растений [18‒28].
Начиная с 2010‑х годов аналогичные результаты для предпосевной закалки семян УФ-излучением были получены и за рубежом (см. [8, 29]). Сравним эти результаты с полученными нами.
Зарубежные исследования выявили гормезис по отношению к хозяйственно-ценным растениям, которые не культивируются в средних широтах Российской Федерации или не культивируются совсем (рис, маис, соевые бобы, фасоль, земляной орех, горькая тыква и т. д.). Наши данные получены для сортов, распространенных в Сибири и за Уралом, в зонах, где есть объективная нехватка солнечного ультрафиолетового излучения даже в весенний период.
Обработка посевного материала в зарубежных исследованиях проводилась с помощью известных источников излучения, таких как:
флуоресцентные ртутные лампы с максимумом на λ = 312 нм (TL40W/12, Philips, Нидерланды);
бактерицидные лампы (30W LF‒215 M, Philips, Франция; TUV 15W G158T8, Нидерланды; лампы G30T8, General Electric, США);
солнечные лампы Gucun (Gucun Instrument Factory, Китай);
лишь в одном случае использовались XeCl-эксилампы (Beijing Electronic Resource Inc., Китай).
Несмотря на выявленное полезное действие субдоз облучения, указанные источники имеют свои недостатки. Главным недостатком ламп из групп (1) и (2) является наличие ртути в колбах. С учетом постепенно вводимых запретов на производство ртутьсодержащих ламп, говорить об их широком внедрении в будущем становится рискованным. Кроме того, поверхность ламп из группы (2) дополнительно покрывалась фильтрующим слоем диацетатной целлюлозы, что усложняет изготовление и эксплуатацию ламп. Солнечные лампы из группы (3) давали ожидае6мые результаты, но поскольку доля УФБ-излучения в их спектре была мала, то полезное действие достигалось лишь спустя 7 часов облучения, что свидетельствует о высоких энергетических затратах на обработку.
Кроме того, в цитируемых статьях не обсуждаются вопросы создания технологичных облучательных установок с учетом требований к условиям эксплуатации. Группа (4) представлена всего двумя статьями [30, 31], причем решаемые здесь задачи прямо противоположны тем, что актуальны для средних широт РФ. В частности, здесь показано, что высадка обычных сортов гречихи в высокогорных районах Китая (плато Цинхай-Тибет) сопряжена с повышением уровня УФБ-облучения и снижает морфофизиологические параметры растений. В наших условиях (недостаток солнечной радиации) эти исследования не актуальны.
Нет в описанных статьях и подтверждения технологичности предпринятых авторами действий. В Российской Федерации для этого необходимо провести полевые исследования в течение трех лет в полевых (или тепличных) условиях, чтобы доказать воспроизводимость полезного действия того или иного способа обработки.
Такое исследование было выполнено нами в последние годы на базе учебно-экспериментального участка СибБС НИ ТГУ (г. Томск) [32]. Объектом исследования были семена мягкой яровой пшеницы (Triticum aestivum L.) сорта Ирень. Перед посевом семена однократно обрабатывали излучением XeCl-эксилампы (модель BD_P, рис. 2(а)) дозами 0,5 и 0,25 Дж / см2, причем доза 0,5 Дж / см2 была найдена нами ранее, в предыдущих лабораторных испытаниях [21, 22]. Однократная обработка семян приводила к увеличению морфометрических показателей (высота растений, масса надземной части, площадь ассимилирующей поверхности листьев), а урожайность пшеницы при воздействии субдозами УФБ-облучения за четыре года полевых исследований увеличивалась в среднем на 11,5%, не вызывая снижения качества зерна. Переход на пониженные дозы (0,25 Дж / см2) облучения интенсифицирует развитие растений и не снижает урожайности культуры (в пределах погрешности измерений). С научной точки зрения найденные факты подтверждают явление гормезиса в нашем случае. С практической стороны эти факты следует учесть при проектировании аппаратуры для предпосевной обработки семян.
На основании найденных фактов и сопоставительного анализа мы прогнозируем, по крайней мере, две тенденции в развиваемом нами направлении биофотоники:
Можно ожидать последующего расширения списка хозяйственно-ценных растений, УФБ-обработка которых будет ускорять их рост и развитие, повышать устойчивость к стрессам и повышать урожайность.
На следующем этапе исследований следует решить вопрос о техническом обеспечении процесса обработки. В частности, разработать и испытать установки для крупнотоннажной обработки, а также сравнительные испытания светодиодных и эксиламповых облучательных установок, выбрать наиболее отвечающие требованиям эксплуатации оборудования «на земле».
Все сказанное в нашем обзоре позволяет уверенно говорить о перспективности применения эксиламп УФБ-диапазона для предпосевной подготовки семенного материала в зонах рискованного земледелия и северных регионах Российской Федерации. Зерна этого подхода были заложены четверть века назад.
Работа выполнена в рамках Государственного задания ИСЭ СО РАН, проект № FWRM‑2021-0014.
Э. А. Соснин 1, 2, В. А. Панарин 1, В. С. Скакун 1, Д. А. Сорокин 1, Е. Н. Сурнина 2, И. А. Викторова 3, Л. В. Лящева 4
ФГБУН «Институт сильноточной электроники Сибирского отделения Российской академии наук», Томск, Россия
ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский государственный университет», Томск, Россия
Томский сельскохозяйственный институт ‒ филиал ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный аграрный университет», Новосибирск, Россия
ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья», Тюмень, Россия
Представлены результаты многолетних лабораторных и полевых исследований действия УФБ-излучения на прорастание, рост и урожайность хозяйственно-ценных растений. Объекты исследований – семена огурца, льна, моркови, пшеницы, гречихи, баклажана, сосны и туи, клубни картофеля, саженцы яблони и черенки винограда. Выполненные исследования доказывают гипотезу о необходимости применения субдоз УФБ-излучения для компенсации недостатка солнечного ультрафиолетового излучения при выращивании растений в теплицах или северных широтах России. Определено место полученных результатов в общем объеме мировых исследований. Описаны конструкции облучателей на основе эксиламп, позволяющие проводить обработку посевного материала как в лабораторных условиях, так и в полевых. На примере четырехлетних полевых исследований, выполненных на пшенице, доказана практическая применимость и перспективность предложенного метода обработки при решении актуальных задач по переходу к высокопродуктивному агрохозяйству.
Ключевые слова: биофотоника, гормезис, рост и развитие, солнечный ультрафиолет, УФБ-излучение, хозяйственно-ценные растения, эксилампа
Статья получена:01.03.2023
Статья принята:21.03.2023
В 2023 году исполняется 20 лет с момента начала исследований действия УФБ- и УФС-излучения эксиламп на развитие растений в лаборатории оптических излучений Института сильноточной электроники СО РАН.
Эксилампы ‒ обобщающее название класса устройств, излучающих узкополосное спонтанное ультрафиолетовое (УФ) и/или вакуумное ультрафиолетовое (ВУФ) излучение эксимерных и эксиплексных молекул. Узкополосный спектр излучения и сравнительное разнообразие в конструктивном исполнении облучателей на основе эксиламп позволяют широко использовать такие источники излучения для решения различных научных и практических задач (микроэлектроника, инактивация вирусов и бактерий, фотохимия, лечение кожных заболеваний) [1‒4]. В настоящей статье будет сделан выборочный обзор результатов исследований действия низкодозового излучения XeCl-эксиламп на развитие хозяйственно-ценных растений, полученных в сотрудничестве с несколькими академическими организациями Российской Федерации (с акцентом на результаты нескольких последних лет).
Поясним причину выбора указанного источника излучения и низкодозовый режим облучения для работы. Специалистам известно, что действие того или иного стрессового фактора на биологические объекты существенно зависит как от самого объекта, так и от природы и дозы действующего фактора [6–8]. Это явление было названо гормезисом. В настоящее время он определяется как двухфазная зависимость «доза – эффект», при которой субдозы действующего фактора оказывают стимулирующее (положительное) влияние на биологический объект, а высокие дозы фактора оказывают ингибирующее воздействие. Аналогичный смысл имеет иностранный термин «priming» или закалка, но применяется только по отношению к посевному материалу. При этом закалка может осуществляться как химическими, так и физическими факторами [9‒11].
В нашем цикле исследований в качестве фактора закалки было выбрано ультрафиолетовое излучение Б-типа (290 < λ < 320 нм) или УФБ-излучение. Гипотеза о том, что этот фактор при определенных дозах должен вызывать гормезис была впервые высказана нами в 2013 году [12]. Мы исходили из того, что в естественных условиях солнечного освещения поверхности Земли доля УФБ-излучения в общем лучистом потоке составляет в среднем не более от 1 до 10%, что зависит от атмосферных условий и активности Солнца [13, 14]. Фактически, это означает, что поверхности планеты достигают субдозы УФБ-излучения, которое, как мы предположили, может играть важную роль в инициировании прорастания и первичной фоторегуляции роста растений.
Для проверки этого утверждения и имитации солнечного края УФ-излучения мы использовали эксилампы барьерного разряда на молекулах XeCl* (XeCl-эксилампы), типичный спектр которых показан на рис. 1. Он представляет собой узкую полосу излучения в диапазоне длин волн λ ~ 290–320 нм (B → X переходы молекул XeCl*) с максимумом излучения на λ = 308 нм и полушириной полосы Δλ1/2 = 1,9 нм. По рисунку видно, что этот спектр перекрывает коротковолновый край солнечного излучения, поэтому лампа может использоваться для компенсации недостатка этого излучения при выращивании растений в теплицах или северных широтах, т. е. в условиях, когда этот фактор окружающей среды блокируется по различным причинам. В этом смысле нашу гипотезу далее можно было называть компенсаторной.
Для исследований было разработано несколько моделей облучателей на основе XeCl-эксиламп. Первая модель (BD_P ‒ barrier discharge, portable), показанная на рис. 2(a), представляет собой портативный облучатель, в котором эксилампа 1 помещена в корпус 2 и снабжена отражателем 3. Облучатель питается от сети ~220 В, но впоследствии, для работы в Государственном аграрном университете Северного Зауралья (ГАУ СЗ, г. Тюмень) была создана модель лампы с автономным аккумуляторным питанием. Охлаждение лампы осуществляется внешним воздухом с помощью вентилятора, размещенного в корпусе (на рис. 2а), чего достаточно для ее стабильной работы. Такой облучатель, как показала практика, удобен для проведения лабораторных или полевых экспериментов, где объемы облучаемого материала невелики.
Другая модель (BD_InI ‒ barrier discharge, inner irradiation) использует возможности различного конструктивного исполнения эксиламп. Если в модели (а) излучение выводится наружу из коаксиальной колбы эксилампы через перфорированный внешний электрод, то в модели, показанной на рис. 2(b), внутренний электрод выполнен перфорированным, а внешний ‒ отражающим, поэтому излучение концентрируется во внутренней полости эксилампы (см. подробнее о различном конструктивном исполнении эксиламп в [2, 3]). Таким образом, эта модель отличается повышенной производительностью за счет того, что облучаемый посевной материал располагается в непосредственной близости от внутренних стенок эксилампы, что почти полностью снимает потери излучения на транспортировку. Посевной материал загружается в воронку 5 и проталкивается шнеком 4 внутрь колбы. Если в модели (а) набор субдозы посевным материалом может занимать несколько минут, то в модели (b) время обработки сокращается на порядок.
Модель, показанная на рис. 2c, разработана для эксплуатации в сильно запыленных помещениях, что типично как для работы в поле, так и в зернохранилищах (BD_DF ‒ barrier discharge, dust free). Для этого и эксилампа 1, и источник питания помещены в металлический корпус, а излучение выводится наружу через кварцевое окно 7. Это обеспечивает изоляцию элементов облучателя от агрессивных воздействий внешней среды. Данная модель была использована нами при проведении и лабораторных, и полевых исследований.
Типовая длина эксиламп для моделей (а) и (с) составляла 10–12 см, а для модели (b) ‒ 43 см. В последнем случае это также увеличивало производительность установки. Модели (а) и (с) обеспечивали энергетическую светимость на поверхности эксиламп от 15 до 30 мВт/см2, а модель (b) ‒ до 120 мВт/см2 соответственно, хотя эти значения могли перестраиваться в ходе выполнения экспериментов.
Первая экспериментальнвя проверка компенсаторной гипотезы была проведена в 2005 году. Для этого были взяты 50‑дневные проростки кедра сибирского (Pinus sibirica Du Tour), ели аянской (Picea ajanensis Lindl. et Gord. (Fisch. ex Carr.)) и лиственницы Каяндера (Larix cajanderi Mayr (Worosch.)), выращенных в лабораторных условиях. Выбор объектов был обусловлен различной биологией и экологией этих видов. Кроме того, известно, что хвойные растения характеризуются повышенной устойчивостью к УФ-излучению: наиболее сильное воздействие УФ-излучения испытывают хвойные на севере бореальной зоны и в горах, так как в весенний период отражательная способность снега и льда может увеличивать дозу поглощаемого деревьями ультрафиолетового излучения почти в два раза [16]. Для облучения применяли как XeCl, так и KrBr-эксилампу. Последняя была взята для сравнения, обеспечивая максимум облучения на λ = 206 нм (участок УФС-излучения). Было показано, что в обоих случаях обработка субдозами 3,6 мДж/м−2 являлась стрессовым фактором для пигментного фонда фотосинтетического аппарата растений. Однако УФБ-излучение при этом стимулировало синтез хлорофилла в листьях [17]. Это свидетельствовало о проявлении фоторегуляторного эффекта узкополосного УФБ-излучения, подтверждая возможность повышения продуктивности растений.
На основе полученных данных было принято решение о продолжении исследований, для чего в разные годы были привлечены специалисты НИ ТГУ (г. Томск), ТСХИ ‒ филиал ФГБОУ ВО НГАУ (г. Томск) и ГАУ СЗ. Основные результаты, полученные с 2014 по 2022 годы, собраны в таблице. В большинстве случаев обработка УФБ-излучением была однократной и применялась по отношению к посевному материалу перед посадкой. Проводились лабораторные и полевые исследования, в т. ч. тепличное культивирование в защищенном грунте. В некоторых экспериментах предпосевная обработка семян дополнялась использованием препаратов, стимулирующих рост вегетирующих растений или био-инсектицидов.
Видно, что экспериментальная проверка подтвердила обоснованность компенсаторной гипотезы в приложении к семенам различных культур (лен, огурцы, пшеница, салат, кедр, баклажан, туя), к саженцам и черенкам (виноград, яблоня) и к клубням (картофель) растений [18‒28].
Начиная с 2010‑х годов аналогичные результаты для предпосевной закалки семян УФ-излучением были получены и за рубежом (см. [8, 29]). Сравним эти результаты с полученными нами.
Зарубежные исследования выявили гормезис по отношению к хозяйственно-ценным растениям, которые не культивируются в средних широтах Российской Федерации или не культивируются совсем (рис, маис, соевые бобы, фасоль, земляной орех, горькая тыква и т. д.). Наши данные получены для сортов, распространенных в Сибири и за Уралом, в зонах, где есть объективная нехватка солнечного ультрафиолетового излучения даже в весенний период.
Обработка посевного материала в зарубежных исследованиях проводилась с помощью известных источников излучения, таких как:
флуоресцентные ртутные лампы с максимумом на λ = 312 нм (TL40W/12, Philips, Нидерланды);
бактерицидные лампы (30W LF‒215 M, Philips, Франция; TUV 15W G158T8, Нидерланды; лампы G30T8, General Electric, США);
солнечные лампы Gucun (Gucun Instrument Factory, Китай);
лишь в одном случае использовались XeCl-эксилампы (Beijing Electronic Resource Inc., Китай).
Несмотря на выявленное полезное действие субдоз облучения, указанные источники имеют свои недостатки. Главным недостатком ламп из групп (1) и (2) является наличие ртути в колбах. С учетом постепенно вводимых запретов на производство ртутьсодержащих ламп, говорить об их широком внедрении в будущем становится рискованным. Кроме того, поверхность ламп из группы (2) дополнительно покрывалась фильтрующим слоем диацетатной целлюлозы, что усложняет изготовление и эксплуатацию ламп. Солнечные лампы из группы (3) давали ожидае6мые результаты, но поскольку доля УФБ-излучения в их спектре была мала, то полезное действие достигалось лишь спустя 7 часов облучения, что свидетельствует о высоких энергетических затратах на обработку.
Кроме того, в цитируемых статьях не обсуждаются вопросы создания технологичных облучательных установок с учетом требований к условиям эксплуатации. Группа (4) представлена всего двумя статьями [30, 31], причем решаемые здесь задачи прямо противоположны тем, что актуальны для средних широт РФ. В частности, здесь показано, что высадка обычных сортов гречихи в высокогорных районах Китая (плато Цинхай-Тибет) сопряжена с повышением уровня УФБ-облучения и снижает морфофизиологические параметры растений. В наших условиях (недостаток солнечной радиации) эти исследования не актуальны.
Нет в описанных статьях и подтверждения технологичности предпринятых авторами действий. В Российской Федерации для этого необходимо провести полевые исследования в течение трех лет в полевых (или тепличных) условиях, чтобы доказать воспроизводимость полезного действия того или иного способа обработки.
Такое исследование было выполнено нами в последние годы на базе учебно-экспериментального участка СибБС НИ ТГУ (г. Томск) [32]. Объектом исследования были семена мягкой яровой пшеницы (Triticum aestivum L.) сорта Ирень. Перед посевом семена однократно обрабатывали излучением XeCl-эксилампы (модель BD_P, рис. 2(а)) дозами 0,5 и 0,25 Дж / см2, причем доза 0,5 Дж / см2 была найдена нами ранее, в предыдущих лабораторных испытаниях [21, 22]. Однократная обработка семян приводила к увеличению морфометрических показателей (высота растений, масса надземной части, площадь ассимилирующей поверхности листьев), а урожайность пшеницы при воздействии субдозами УФБ-облучения за четыре года полевых исследований увеличивалась в среднем на 11,5%, не вызывая снижения качества зерна. Переход на пониженные дозы (0,25 Дж / см2) облучения интенсифицирует развитие растений и не снижает урожайности культуры (в пределах погрешности измерений). С научной точки зрения найденные факты подтверждают явление гормезиса в нашем случае. С практической стороны эти факты следует учесть при проектировании аппаратуры для предпосевной обработки семян.
На основании найденных фактов и сопоставительного анализа мы прогнозируем, по крайней мере, две тенденции в развиваемом нами направлении биофотоники:
Можно ожидать последующего расширения списка хозяйственно-ценных растений, УФБ-обработка которых будет ускорять их рост и развитие, повышать устойчивость к стрессам и повышать урожайность.
На следующем этапе исследований следует решить вопрос о техническом обеспечении процесса обработки. В частности, разработать и испытать установки для крупнотоннажной обработки, а также сравнительные испытания светодиодных и эксиламповых облучательных установок, выбрать наиболее отвечающие требованиям эксплуатации оборудования «на земле».
Все сказанное в нашем обзоре позволяет уверенно говорить о перспективности применения эксиламп УФБ-диапазона для предпосевной подготовки семенного материала в зонах рискованного земледелия и северных регионах Российской Федерации. Зерна этого подхода были заложены четверть века назад.
Работа выполнена в рамках Государственного задания ИСЭ СО РАН, проект № FWRM‑2021-0014.
Отзывы читателей
