Использования метода акустической эмиссии для изучения процесса роста растений

         Кузнецов Д.М. д.т.н. Тищенко В. аспирант, Костовская Ю.А., аспирантка, Иванова О.Е.,аспирантка

Новочеркасская государственная мелиоративная академия, г.Новочеркасск

 

        

В работах, посвященных регуляции роста и развития растений показано, что прорастание начинается с медленного роста клеток вдоль всей оси зародышевого корня и гипокотиля. Однако, вскоре скорость роста гипокотиля становится больше, чем корня. Эти данные  противоречат широко распространённому мнению о том, что прорастание начинается с растяжения (быстрого роста) клеток гипокотиля или базальной части зародышевого корня (у видов, зародыши которых не имеют гипокотиля). Для  изучения общих закономерностей и различия в последовательности возобновления, начальной локализации и направлении распространения процессов роста, пролиферации и дифференциации клеток в ходе прорастания семян используются самые современные методов исследования.

В настоящей работы в качестве  метода исследования  использовалось изучение генерации ультразвуковых волн на начальном этапе онтогенеза растений. Предполагается, что изменение структуры покровных тканей растений, включая начальную стадию (структура эндосперма и перисперма у семян) вызывает набухание семян, что сказывается на частицах почвы, окружающих семена. Подвижка частиц почвы вызывает акустическую эмиссию (АЭ) трения. При должном обеспечении методических условий  эти ультразвуковые колебания почвы можно зарегистрировать и они должны коррелировать с изменением  объема семян. Для подтверждения данной гипотезы была предложена следующая методика эксперимента.

 

Методика исследования.

В качестве объекта исследования были использованы семена красной фасоли (Phaseolus coccineus). Семена в количестве 10 штук замачивали в чашках Петри на фильтровальной бумаге в дистиллированной воде, причем каждые 100 минут измерялись линейные размеры в трех взаимно перпендикулярных направлениях каждого из семян. Затем рассчитывался объём семян и площадь их поперечного сечения, а также плотность. Также контрольная партия семян взвешивалась с точностью ± 1*10-3г с той же периодичностью в 100 минут. 

Такие же семена помещались в песчаный грунт в количестве 10 штук.  Изменение линейных размеров семян (набухание семян) вызывало подвижку частиц грунта, а, следовательно, и  акустические колебания. Генерируемые в результате подвижки грунта  ультразвуковые волны достигали стенок ёмкости и воспринимались чувствительным пьезодатчиком. Форма ёмкости выбиралась конической, чтобы обеспечить усиление регистрируемого сигнала. Материал ёмкости представлял собой кварц, который характеризуется низким коэффициентом поглощения ультразвука. Пьезодатчик устанавливался со стороны дна ёмкости (см.рис.1). Регистрация акустических сигналов осуществлялась с помощью акустико-эмиссионного комплекса A-Line 32. Частотный диапазон используемых пьезодатчиков составлял 100-500 кГц.

 

Рис.1. Схема экспериментальной установки и регистрируемые параметры акустических сигналов на начальном этапе онтогенеза растений

 В качестве  изучаемых параметров акустических сигналов выбраны следующие /6/ (рис.2):

Рис.2. Изучаемые параметры ультразвуковых сигналов

Длительность электрического сигнала АЭ Т0[с] - время на­хождения огибающей электрического импульса АЭ над порогом ограничения.  Диапазон изменения 10-4...10-8 с.

Время нарастания Дтн [с] - промежуток времени между по­явлением огибающей импульса АЭ над порогом ограничения и достижением огибающей ее максимальной амплитуды.

Суммарный счет АЭ (total emission) N [имп.] - число зареги­стрированных превышений импульсами АЭ установленного уров­ня дискриминации (ограничения).

Выбросы АЭ [имп.]– количество осцилляций, превышающих установленной уровень дискриминации в период на­хождения огибающей электрического импульса АЭ над порогом ограничения.

 Активность АЭ (acoustic emission count rate) N [имп./с] –производная по времени суммарного счета АЭ. Диапазон изменения 0 ... 1015 [имп./с].

Энергия электрического сигнала АЭ  Ec [Дж] - измеренная площадь под огибающей электрического сигнала АЭ. Диапазон изменения 10-9...10-5 Дж.

 

Обсуждение полученных результатов

В таблице 1 показано изменение линейных размеров семян и их массы. , а также количества регистрируемых осцилляций АЭ. Ряд этих же данных представлен на рис. 3. Очевидно, что регистрация АЭ колебаний отражает объективный процесс набухания семян. Причем, связь между массой замачиваемых семян и количеством регистрируемых осцилляций АЭ имеет высокий коэффициент корреляции (0,9978).

Таблица 1. Экспериментальные данные по изменению массы семян пшеницы при замачивании и суммарного счета АЭ (ослабление 31 дБ).

 

Время, мин

Масса 10 зерен фасоли, г

Суммарный выбросов (осцилляций) АЭ

0

0,38

0

500

0,42

414

1000

0,51

456

1500

0,69

500

2000

0,8

531

2500

0,81

546

3000

0,82

551

 

 

 

Рис. 3 Изменение массы семян фасоли при замачивании

 

 

                                         а                                                                             б

                                        в                                                                               г

                                        д                                                                                е 

                                                                         ж

Рис. 4. Изменение  регистрируемых  параметров АЭ в процессе постепенного насыщения клеток замачиваемых семян пшеницы (а - Сумма выбросов АЭ; б - Выбросы АЭ ; в – Время нарастания; г- Амплитуда сигнала АЭ; д - Энергия электрического сигнала АЭ; е - Длительность электрического сигнала АЭ; ж- Активность АЭ.

 

Приводимые на рис. 4 данные свидетельствуют, что генерация сигналов АЭ начинается практически сразу после начала замачивания, причем динамика изменения количества сигналов  имеет вид S – образной кривой и качественно совпадает с кривой изменения объема семян и с динамикой набора массы семян фасоли. Известные литературные данные также  подтверждают объективность полученных результатов /2,3/. Прохождение  максимума  акустических сигналов практически по всем параметрам в период 1000 – 1500 мин от начала замачивания  соответствует максимальной скорости насыщения семян водой. Наблюдаемое затем постепенное снижение активности акустических сигналов и, соответственно, скорости роста суммарного счета сигналов АЭ, соответствует постепенному насыщению клеток водой и снижению сосущей силы  замачиваемых семян. Величина сосущей силы тождественна водному потенциалу клетки  и  определяется осмотическим давлением клеточного сока и тургорным давлением в клетке. Следует отметить, что экспоненциальное изменение  регистрируемых физических величин в процессе постепенного насыщения клеток замачиваемых семян водой отмечено для всех акустических параметров (см.рис.4). Это обстоятельство, в свою очередь, также свидетельствует об объективности  регистрируемого явления.

Можно отметить, что снижение активности, энергии и амплитуды сигналов АЭ после 3-х часового замачивания семян, скорее всего, свидетельствует о том, что достигнуто именно то состояние клеток, когда они полностью тургесцентны.

       Дальнейшее развитие предлагаемого авторами метода может быть направлено на решение не только научных, но и практических задач, таких как скрининг растительного материала на чувствительность к гербицидам и неблагоприятным факторам окружающей среды. На наш взгляд, полученные результаты могут  представлять интерес с точки зрения использования метода АЭ для мониторинга различных биохимических процессов и явлений.

 

 

 

 

 

 

Выводы:

1. На основе акустико-эмиссионного комплекса A-Line 32 создана экспериментальная установка для обнаружения генерируемого акустического излучения грунта, сопровождающего процесс набухания семян на начальном этапе роста растений.

2. С помощью созданной установки растений удалось зафиксировать генерацию  колебаний частиц почвы в ультразвуковом диапазоне частот на начальном этапе онтогенеза растений.

      3 Установлено, что динамика изменения параметров акустических сигналов грунта в в ультразвуковом диапазоне частот  имеет вид S – образной кривой и качественно совпадает с кривой изменения объема семян и с динамикой набора массы семян фасоли.

 

Литература

 

ВРЕМЕННАЯ И ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ РОСТА, ПРОЛИФЕРАЦИИ И ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ КЛЕТОК В ХОДЕ ИХ ВОЗОБНОВЛЕНИЯ В МОРФОГЕНЕЗЕ КОРНЯ
Демченко Н.П.
отчет о НИР  № 96-04-48719 (Российский фонд фундаментальных исследований

 

  1. Мосолов В. В. Новое о природных ингибиторах протеолитических ферментов // Биоорганическая химия. 1998. Т. 24, № 5. С. 332-340.
  2. Рубцова М.С., Федулина С.Б. БЭР на раздражение прорастающих семян пшеницы и тыквы и их возможная роль в процессе прорастания/ Нижегородская государственная сельскохозяйственная академия // Серия: Биология. 2001. С. 31-35
  3. Ретивин В.Г., Опритов В.А. Использование проростков тыквы как модели для изучения возбудимости у высших растений / Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Серия: Биология. 2001. С. 45-47
  4. Kuznetsov, D.M., Smirnov, A.N., and Syroeshkin, A.V., Acoustic Emission during Phase Transformations in Water, Ross. Khim. Zh., 2008, no. 1, pp. 114–121.