РЕСУРСО- И ЭНЕРГО- СБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ СЕЛЬХОЗКУЛЬТУР

Строительство и пуск Большой Солнечной Печи мощностью 1 МВт (г.Паркент) позволило создать большой класс материалов и технологий на их основе, которые позволяют не только упростить имеющиеся технологи, но и существенно снизить расход ресурсов, энергии, сократить время, необходимое для развития сельхозкультур, их переработки, хранения, восстановления и улучшения техники, используемой для сева, обработки, сбора урожая, его переработки и хранения.

Настоящая статья посвящена механизму светоимпульсной стимуляции предпосевной обработки семян для ускорения роста, развития, повышения урожайности, сокращения вегетативного периода, повышения устойчивости к заболеваниям.

Данный метод может быть применен практически для любых культур, но мы рассмотрим его эффективность и механизм на примере хлопчатника, как основной возделываемой культуры в нашей стране.

Для того, чтобы разобраться в механизме светоимпульсной стимуляции семян хлопчатника, рассмотрим за счет каких процессов идет их развитие. Известно, что семена хлопчатника содержат значительное количество запасного жира – 40-45%, запасного белка -40-42%, клетчатку, микроэлементы, активные вещества – остальное.

Прорастание семян начинается в тот момент, когда под действием благоприятных внешних условий соответствующие ферменты расщепляют запасной жир, белок и углеводы. При этом образуются продукты распада, которые можно рассматривать как «кирпичики» из которых по коду ДНК формируется растение.

Исходя из сказанного, можно сделать вывод, что чем быстрее будут расщепляться запасные вещества, тем больше мы получим продуктов, необходимых для роста и формирования растений и, следовательно, тем быстрее будет идти развитие растения.

Запасной жир расщепляется ферментами липазами, запасной белок – протеазами, а углеводы – амилазами. Учитывая, что хлопчатник является масличной культурой, то справедливо предположить, что уровень липазной активности объективно покажет нам скорость развития растения в начальный период вегетации. В дальнейшем, когда растение уже взойдет, его развитие будет происходить за счет фотосинтеза.

Для понимания процесса светоимпульсной стимуляции семян, необходимо сказать еще об одном веществе, которое находится в любом растении и управляет его развитием на начальных этапах. Это, так называемый, фитохром, с молекулярной массой 240000 дальтон, который может принимать два конформационных состояния. Первый – неактивное, второе – активное. При облучении семян светом с длиной волны 660 нм фитохром переходит в активное состояние, но если его и дальше продолжать облучать в этом спектральном диапазоне, то он разлагается. Облучение же семян светом с длиной волны 730 нм, переводит его в неактивное состояние. Квантовый выход первого процесса около 1, а для обратной реакции квантовый выход около 0,3. Таким образом, облучение белым светом позволяет, в конечном счете, активировать фитохром.  В активном состоянии фитохром стимулирует рост и развитие растений из семян, а в неактивном – блокирует эти процессы.

С чем же связано такое поведение фитохрома? Как отмечалось выше, ферменты используют запасные жир, белок и клетчатку для создания необходимых веществ из которых по коду ДНК происходит рост и развитие культуры.

Так как хлопчатник является масличной культурой, то в качестве основных, ответственных за его развитие, рассмотрим липолитические ферменты.

В покоящихся семенах хлопчатника липолитические ферменты находятся в слепленном по 4 активными центрами внутрь. В этом случае, жир не может попасть в активный центр фермента и процесса расщепления не происходит. При активации семян за счет благоприятных условий, происходит распад липолитического комплекса на 4 фермента. В этом случае, активный центр их доступен для запасного жира и происходит его расщепление с образованием необходимых компонентов для роста и развития растения. То же самое происходит и с протеазами и белками, а также с амилазами и углеводами. Теперь в семенах имеется все необходимое для роста и развития растения.

Фитохром, переходя в активное состояние позволяет с высокой скоростью расщепить комплекс из 4 ферментов с блокированными активными центрами и, таким образом, запускает механизм роста и развития растения. Схематически это показано на рисунке 1.

Схематически это показано на рисунке 1.

Рис.1. Схема конформационных переходов фитохрома и активация липазы.

Типичный ход кривой индукции липазной активности от времени проращивания необлученных и облученных импульсным концентрированным светом (ИКС) ксеноновои лампы семян хлопчатника приведен на рис.2.

Как можно заметить из приведенных данных, в покоящихся семенах уровень липазной активности является не очень высоким. При проращивании семян на свету липазная активность вначале умень­шается (первый день прорастания), а затем быстро растет, дос­тигая максимального значения на 4-5 день. При проращивании тех же семян в темноте липазная активность достигает своего макси­мального значения (Амах) уже на 3-4 день, а максимум имеет более высо­кое значение. Независимо от условий проращивания (на свету или в темноте) предпосевная обработка семян хлопчатника импульсным концентрированным светом повышает значение максимума липазной активности. При этом существенно сокращается время Тм, необхо­димое для достижения максимального значения. Высокий уровень липазной активности означает увеличение интенсивности гидроли­за запасных липидов семян, а, следовательно, и интенсивности их массо- и энергоснабжения. Выигрыш во времени для обеспечения максимальной липазной активности облученных семян при дальнейшем развитии растения приводит к более раннему наступлению фаз он­тогенеза, а как следствие этого возможность получения более ран­него урожая. В таблице I представлены данные по сопоставлению максимального уровня липазной активности (Амах), Тм с такими основными показателями, как всхожесть и урожайность хлопчатника.

Рис. 2. Зависимость липазной активности от времени проращи­вания семян: I – контроль на свету, 2 – контроль в темноте, 3,4 – семена облучались ИКС: 3 – проращи­вание на свету, 4 – проращивание в темноте

Таблица 1. Зависимость урожайности, всхожести, а также величин Амах и Тм от длительности предпосевного облучения семян хлопчатника.

Из представленных данных следует, что между динамикой изменения липазной активности и такими показателями, как всхо­жесть и урожайность растений существует строгая корреляция: чем выше значение максимума липазной активности и чем ниже ве­личина Тм, тем лучше всхожесть и выше урожайность.

Таким образом, максимально достигаемое при проращивании семян хлопчатника значение липазной активности Амах и время, необходимое для его достижения (Тм) являются характеристичес­кими параметрами и отражают в определенной мере эффективность оказываемых воздействий.

В таблице П приводятся наиболее опти­мальные параметры ИКС   по наивысшему уровню Амах для четырех сортов хлопчатника. Как следует из приведенных данных, для опушенных семян требуется несколько большая концентрированность, чем для оголенных.

Таблица 2. Оптимальные параметры для ИКС-облучения для различных сортов хлопчатника.

Это объясняется тем, что часть света задер­живается и рассеивается линтом. Изменение какого-либо из трех параметров ИКС (частоты, времени облучения или концентрированности) от значений приведенных в таблице II приводит к снижению величины Амах даже при варьировании двух других параметров.

Как было сказано выше, излишнее время облучение приводит к разложению фитохрома, что не позволяет добиться наилучших результатов. Связано это с тем, что энергия света с длиной волны 660 нм достаточна для разрыва связей в фитохроме.

В результате многолетних исследований, нами были получены керамисечкие материалы, позволяющие преобразовывать широкий спектр излучения первичного источника энергии в узкоспектральное инфракрасное излучение, причем, в импульсном режиме [1]. В результате удалось создать такой материал, излучатель на основе которого вырабатывает два мощных импульса в диапазоне 16,00 и 16,25 мкм, длительность каждого из них около 12-13 микросекунд с небольшой паузой (около10-12 микросекунд между ними.  На основе этого материала, с добавлением его в определенных пропорциях в нейтральный (в спектральном отношении) керамический материал, был изготовлен излучатель, использование которого позволило стимулировать семена хлопчатника за счет активации фитохрома. Из-за низкого уровня энергии используемого излучения, не происходит распада фитохрома. Это позволяет получить значительно более высокие значения максимальной активности ферментов (92-96 против 72 для обычной стимуляции), а также не опасаться снижения эффекта стимуляции за счет распада фитохрома при увеличении времени обработки семян. Максимум липазной активности в этом случае достигался за 1,5-1,8 суток. Подробнее о механизме светоимпульсной стимуляции можно прочитать в [2].

Таким образом, предпосевная светоимпульсная стимуляция семян хлопчатника позволяет при тех же энерго- и ресурсо- затратах получить существенную прибавку урожая при значительно меньшей трудоемкости. К положительной стороне светоимпульсной обработки семян, следует также отнести и то, что растения практически не болеют, с одной стороны из-за того, что высокая скорость развития обеспечивает им опережение по потреблению основных веществ быстрее, чем это делают факторы, вызывающие заболевания, а с другой стороны, при обработке инфракрасными импульсами происходит стерилизация семян, основанный на следующих механизмах.

Любой организм, будь то бактерия, грибок, вирус и т.д. размножается, копируя ДНК или РНК. Копирование включает процесс синтеза. Этот синтез осуществляется определенным ферментом. В момент копирования идет рост цепи ДНК или РНК. Этот рост идет через образование фермент-субстратного комплекса, который, в момент роста, представляет из себя все удлиняющийся радикал. Импульсная керамика образует из липидов или супероксидов вспомогательные радикалы, которые затем, второй импульс вынуждает рекомбинировать с растущими радикалами (фермент-субстратные комплексы), превращая их в устойчивые молекулы, неспособные к дальнейшему росту, оставаясь на уровне белка, который уже организм растений и животных может использовать в качестве энергетического или пластического материала для своих потребностей. Таким образом, вся инфекция полностью погибает.

Кроме того, созревание наступает на 10—14 дней раньше, что позволяет осуществлять более ранний сбор урожая, при благоприятных погодных условиях. В конечном счете, мы получаем продукцию существенно лучшего качества при меньших затратах.

1. Rakhimov R.Kh. Патент США № 5,350,927 дата регистрации 27.09.1994. Radiation emitting ceramic materials and devices containing same (Соавт. Elena V. Kim).
2. http://www.ks.uz

Все статьи автора «rakhimov»