Кожевников С.К., Бабушкина Ю.А.

Костанайский государственный университет им. А. Байтурсынова

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МИКРОВОДОРОСЛЕЙ В КАЧЕСТВЕ

СТИМУЛЯТОРОВ РОСТА РАСТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ИМИТАЦИИ СВЕТОВОГО ДНЯ

В современной науке довольно активно развивается направление, связанное с разработкой технологий выращивания различных групп культурных растений под искусственным освещением. С момента создания относительно энергоэффективных источников освещения наблюдается постоянные попытки создать искусственные системы выращивания растений, обладающие свойствами экономической энергоэффективности, а также способностью получать достаточное количество растительной продукции круглогодично. В последние годы, в связи с развитием технологий LED освещения, открылись новые возможности в области создания изолированных вегетариев, основным источником света, которых, является искусственное освещение. Исследования, проведенные рядом корейских ученых, таких как: Choi HG., Kwon JK., Moon BY., Kang NJ., Park KS., Kyoung Cho MW., Kim YC., показали, что использование искусственного освещения, в частности светодиодов красного и синего спектров может способствовать повышению качества производимой продукции. В работах этих ученых указано, что LED освещение способствовало накоплению сахаров и увеличению концентрации антоцианов в плодах земляники. [1] Аналогичные исследования, но только в отношении Wasabia japonica, были проведены японскими учеными Kim HR. и You YH., которые в ходе экспериментов с красным, синим, белым и дальним красным светодиодами показали, что наиболее эффективным спектром является смешанный спектр синего и красного. [2]

Главной проблемой в данной ситуации является подбор наиболее оптимальных светодиодов с длиной волны максимально подходящей для эффективного фотосинтеза растений. Существуют несколько различных типов LED светильников, светодиоды которых, соответствуют максимум фотосинтеза в красной и синей области спектра, так называемые фитолампы. Определенным недостатком данных фитоламп является невозможность предоставления растениям всего необходимого спектра солнечного света для сопутствующих фотосинтезу процессов, например, в оранжевой, инфракрасной, ультрафиолетовой и зеленой областях спектра [8-10]. Не нужно забывать, что эволюционно растения приспосабливались не только к определенному спектру солнечного света, но и к изменениям данного спектра в течение светового дня. Поэтому при моделировании новых типов фитоламп на основе LED технологий, необходимо разработать не только новые светодиоды с чистыми спектрами, но и подобрать режимы изменения спектрального состава и изменения интенсивности освещения в течение суток. В настоящий момент исследования в области имитации изменения спектрального состава светового дня с помощью LED источников освещения практически не проводятся. Большинство исследований направленно на адаптацию спектрального состава, а также эксперимента в области увеличения или уменьшения продолжительности освещения для имитации весеннего или осеннего сезонов. [7]

Кроме освещения растений в искусственных изолированных вегетариях, довольно важным моментом является регуляция их развития путем использования экологически безопасных, природных соединений. Биологические стимуляторы роста и развития растений в настоящий момент характеризуются значительным разнообразием, универсальностью или специфичностью действия на органы растения или растение в целом. Так, например открытие 24-эпибрассинолида позволило не только стимулировать рост и развитие растений, но и повысить их стрессоустойчивость и солеустойчивость, в частности исследования проведенные Karlidag H., Yildirim E., Turan M., показали повышенную устойчивость земляники к солевому стрессу. [3] Исследования проведенные Blaha L., Gottwaldova P., показали, что 24 – эпибрассинолид повышает всхожесть семян ряда сортов культурных растений [4]. Кроме того, 24 – эпибрассинолид, обладает определенным фунгицидным действием и способствует повышению иммунитета растений на геномном уровне. [5] Данное химическое соединение в дополнение к вышеперечисленным свойствам способствует повышению концентрации хлорофилла и антиоксидантной активности растений. [6] Схожие действия на различные группы растений имеют стимуляторы на основе растворов гидроксикоричных кислот, ауксинов и гиббереллинов, а также вытяжек из различных органов растений, относящихся к нескольким таксонам, например, японский препарат HB – 101.

Большая часть уже существующих стимуляторов роста и развития растений имеет микробиологическое (бактериальное) происхождение, не менее значительная часть стимуляторов была получена от высших растений. В рамках вышесказанного необходимо упомянуть перспективную роль микроводорослей в качестве источника биологических активных веществ для растений. Микроводоросли являются одними из наиболее древних организмов на нашей планете, их потенциал в качестве источника новых биологических активных веществ для растений практически не изучен. Существует ограниченное количество препаратов стимулирующего направления, разработанных на основе водорослей, большая часть которых создана с использованием морских водорослей. К таким препаратам или удобрениям относятся KeplakSL, получаемый из морской водоросли Eckleniamaxima., а также удобрение GoemarBM 86 при этом потенциал микроводорослей, особенно пресноводных, практически не исследован. [11]

Исследования проведенные на базе Костанайского государственного университета им. А. Байтурсынова в период с 2011 по 2014 год показали определенные перспективы возможного использования микроводорослей, в частности представителей таксона Scenedesmus, в качестве биологического активного стимулятора роста и развития таких культурных растений как томат, перец, земляника садовая. Периодическая обработка данных растений суспензиями микроводорослей позволило получить ряд противоречивых результатов. В частности установлено, что на ранних этапах обработка растений суспензией микроводорослей наблюдается ускорение прорастания семян перца и томата, а также проявляется эффект стимулирования роста и развития ювенильных форм растений. При дальнейшей обработки наблюдается увеличение вероятности поражения растений грибковыми заболеваниями. Так, например, в отношении земляники наблюдалось более сильное поражение вертициллезным увяданием молодых растений, в сравнении с контролем, а также в сравнении с растением обработанным препаратами на основе 24-эпибрассинолида и препаратами на основе гидроксикоричных кислот и препаратом «виталайзером» НВ-101. Данный факт, по-видимому, объясняется ослаблением иммунитета растений из-за ускоренного развития проростков, а также специфичностью питательной среды микроводорослей хорошо подходящей для развития различных таксонов грибов. Эту проблему можно решить, используя штаммы водорослей обладающих фунгицидным действием.[12] Помимо этого можно использовать совместно с суспензией водорослей препараты природного происхождения, обладающие противогрибковыми свойствами.

На ряду с использованием стимуляторов на основе микроводорослей, были использованы условия связанные с моделированием искусственного освещения, основанного на применение различных типов LED источников таких как, светодиоды синего спектра (длина волны 450 нм), красного спектра (615 нм) и белого спектра. Предварительные результаты показали усиление роста растений вначале эксперимента, вызванного вероятнее всего повышенной фотосинтетической активностью. При дальнейшем выращивании растений, при искусственном освещении, наблюдались признаки недостатка ряда питательных веществ, например магния.

В дальнейшем планируется проведение перспективных исследований по моделированию с помощью LED источников различного спектра, условий изменения спектрального состава общего освещения в течении суток с целью добиться имитации светового дня, в комплексе с обработкой различных видов культурных растений стимуляторами и внекорневыми удобрениями на основе различных таксонов пресноводных микроводорослей.

Литература

1. Choi HG., Kwon JK., Moon BY., Kang NJ., Park KS., Cho MW., Kim YC., Effect of Different Light Emitting Diode (LED) Lights on the Growth Characteristics and the Phytochemical Production of Strawberry Fruits during Cultivation. // Korean journal of horticultural science & technology, 2013.Volume: 31 Issue: 1 Pages: 56-64

2. Kim HR., You YH., Effects of Red, Blue, White, and Far-red LED Source on Growth Responses of Wasabia japonica Seedlings in Plant Factory.// Korean journal of horticultural science & technology, 2013. Volume: 31 Issue: 4 Pages: 415-422

3. Karlidag H., Yildirim E., Turan M., Role of 24-epibrassinolide in mitigating the adverse effects of salt stress on stomatal conductance, membrane permeability, and leaf water content, ionic composition in salt stressed strawberry (Fragaria x ananassa).// Scientia horticulturae, 2011.Volume: 130 Issue: 1 Pages: 133-140

4. Blaha L., Gottwaldova P., Hnilicka F., Kadlec P., Jankovska P., Kohout L., Influence of 24-epibrassinolide on Characteristics and Germination of Seeds.//Book Group Author(s):Czech University of Life Sciences (CULS)OSIVO A SADBA: VII ODBORNY A VEDECKY SEMINAR Pages: 66-72 Published: 2005

5. Ding J., Shi K., Zhou YH., Yu JQ., Effects of Root and Foliar Applications of 24-Epibrassinolide on Fusarium Wilt and Antioxidant Metabolism in Cucumber Roots.// Hortscience, 2009. Volume: 44 Issue: 5 Pages: 1340-1345

6. Fariduddin Q., Khalil RRAE., Mir BA., Yusuf M., Ahmad A., 24-Epibrassinolide regulates photosynthesis, antioxidant enzyme activities and proline content of Cucumis sativus under salt and/or copper stress.// Environmental monitoring and assessment., 2013. Volume: 185 Issue: 9 Pages: 7845-7856 Published: SEP 2013

7. Bergstrand KJ., Schussler HK., Growth, Development and Photosynthesis of some Horticultural Plants as Affected by Different Supplementary Lighting Technologies.// European journal of horticultural science, 2013. Volume: 78 Issue: 3 Pages: 119-125 Published: JUN 2013

8. Lee MJ., Son JE., Oh MM., Growth and phenolic compounds of Lactuca sativa L. grown in a closed-type plant production system with UV-A, -B, or -C lamp.// Journal of the science of food and agriculture, 2014. Volume: 94 Issue: 2 Pages: 197-204 Published: JAN 30 2014

9. Kim HH., Goins GD., Wheeler RM., Sager JC., Green-light supplementation for enhanced lettuce growth under red- and blue-light-emitting diodes.// Hortscience, 2004. Volume: 39 Issue: 7 Pages: 1617-1622 Published: DEC 2004

10. Fan XX., Zang J., Xu ZG., Jiao XL., Liu XY., Gao Y., Effects of different light spectra on photosynthetic structures and photosynthate of non-heading Chinese cabbage.// Research on crops, 2013. Volume: 14 Issue: 2 Pages: 555-560 Published: JUN 2013

11. MasnyA.,Basak A., ZurawiczE. Effects of foliar applications of KelpakSl and Goёmar BM 86® preparations on yield and fruit quality in two strawberry cultivars. Journal of Fruit and Ornamental Plant Research Vol. 12, 2004.

12. Kulik MM., The potential for using cyanobacteria ( blue-green-algae) and algae in the biological-control of plant-pathogenic bacteria and fungi.// European journal of plant pathology, 1995. Volume: 101 Issue: 6 Pages: 585-599 Published: NOV 1995