Инструментальная оценка физиологического качества семян сельскохозяйственных культур

 

Р.В.БОГАТКЕВИЧ

 

 

По данным International Seed Testing Association (ISTA), физиологическое качество семян (сила роста, seed vigor) определяется как сумма свойств семян, которые создают дружное прорастание и развитие нормальных проростков в широком диапазоне параметров среды.

Рассматривая растения как преобразователи-накопители солнечной энергии, можно выделить наиболее широкий (сумма свойств) критерий для оценки их качества – энергетический показатель. Поскольку в момент прорастания семян происходит интенсивное преобразование, обмен энергии, то на этом этапе по энергетическому критерию можно точнее (в сравнении с традиционными способами) оценивать состояние проростков.

Для характеристики прорастания был выбран критерий максимальной величины совершаемой работы, который достигается проростком. А так как, в зависимости от роста и развития растения, внешних условий прорастания, он изменяется, это связано с параметром времени, то в критерий добавлен показатель времени. Таким образом, для оценки качества проростка принимается показатель отношения работы проростка ко времени её совершения. В физике он называется мощностью.

Физиологический смысл критерия мощности проростка заключается в сумме биологических свойств, в основном, заложенных генетически. В тоже время максимальное значение работы – отражает её реализацию в данных условиях, в данный момент. Первый критерий характерен для решения задач по оценке качества семян. Второй – для определения реакции проростков на действие внешних факторов. Оба критерия определяются из экспериментальных данных по кривым прорастания семян.

Ниже приводится краткое описание примеров использования метода для оценки проростков.

Ø    Область применения

Разработка относится к области семеноводства в сельском хозяйстве, в лесоведении, в частности, для оценки физиологического качества семян, для определения степени влияния различных обеззараживающих, стимулирующих химических веществ, применяемых при инкрустации, либо физических воздействий влияющих на рост и развитие проростков семян. Возможно использование в селекционной работе для отбора проростков, поскольку они не повреждаются в процессе оценки. Разработку можно применить и для проверки эффективности средств защиты растений, например, выявление некачественных реагентов.

Ø    Метод оценки

Сравниваются энергетические показатели каждого проростка с самого начала его прорастания. Проращивание осуществляется в контролируемых внешних условиях, общих для всех, но без контакта проростков между собой.

В качестве субстрата используется фильтровальная бумага, смоченная дистиллированной водой. Возможно применение иных субстратов, вплоть до реальных почв, а в дистиллированную воду можно в любое время добавлять различные химические вещества, наблюдая в динамике реакцию проростка.

Ø    Показатели оценки качества семян

Объект исследований – семена капусты сорта «Мара» годичной давности.

Условия – лабораторные, температура воздуха – 20⁰С, влажность – 80%. Проращивание семян выполнялось в чашках Петри на бумажном субстрате, смоченном дистиллированной водой.

На рисунке 1 показана диаграмма процесса прорастания 8 семян с момента посадки. Она построена по результатам измерений работы, совершаемой проростками вплоть до наступления ограничения.

В таблице 1 приведены экспериментальные показатели прорастания семян.

 

Рис. 1. Диаграмма прорастания семян.

 

На диаграмме красным цветом отмечена кривая прорастания семян построенная по средним значениям ординат.

Время Т1_n от посадки до прорастания каждого семени (срок прорастания) измеряется в минутах. Абсолютная погрешность определения срока составляет 10 минут. Различие сроков прорастания семян между собой составляет длительность прорастания Т2 (= максимум - минимум) группы (партии) семян.

Затем у проростков происходит рост, совершается работа, на которую тратится энергия. На кривой прорастания она отмечается прямой линией (линейный участок). Наклон линии определяет мощность проростка. Чем круче наклон, тем больше мощность проростка, тем быстрее он выйдет из почвы.

Совершаемая проростком работа имеет предельное значение. Если оно мало, то проросток не преодолеет сопротивления толстого слоя почвы и не выйдет из неё. Участок кривой, выше линейного, характеризует максимальную (предельную) работу, которую может совершить проросток в данный момент (при данном уровне развития). Значения предельной работы проростков, расположенные между наибольшей и наименьшей величиной, показывают диапазон максимальных значений работы. По нему можно определить те семена, которые гарантировано прорастут на данной почве.

Существует межгосударственный стандарт ГОСТ 30168-95 на метод определения силы роста, в котором указан «Показатель силы роста семян сахарной свеклы – отношение числа нормально развитых проростков, прошедших сквозь слой гравия установленной толщины, к числу высеянных семян … ».

В отличие от ГОСТа на диаграмме оцениваются проростки не «слоем гравия установленной толщины» и неизвестной плотности, а максимальной работой или мощностью проростка. Если величины диапазона максимальных значений работы проростков больше значений работы по преодолению сопротивления данного слоя почвы, то с определённой вероятностью можно гарантировать прорастание семян из почвы.

Таблица 1. Показатели прорастания семян

 

Табличные данные получены по результатам измерений (144 отсчета в сутки на одно семя). Мощность проростков определялась расчетным путем. Пример определения мощности проростка приведен в следующей диаграмме на рис.2.

Ø    Прорастание семян после ультрафиолетового облучения с одновременным шлифованием

Объект исследований – семена капусты сорта «Мара».

Условия – лабораторные, температура воздуха – 20⁰С, влажность – 80%. Проращивание семян выполнялось в чашках Петри на бумажном субстрате, смоченном дистиллированной водой.

До посадки в течение 40 минут семена подвергались воздействию ультрафиолетового облучения (УФО) лампы (30 Вт). Они находились в потоке воздуха создающем перемешивание и шлифование поверхности семян. На рисунке 2 приведена диаграмма двух семян разной мощности, которые прошли обработку.

 

Рис.2. Диаграмма прорастания семян разной мощности прошедших шлифование и обработку УФО.

 

Цифрами отмечены максимальные значения работы проростков. Для расчета мощности проростков P1 и P2 показаны уравнения линейных участков кривых прорастания и достоверность аппроксимации. Для получения значения мощности коэффициент при Х делится на 600 секунд (интервал измерений).

Эффективность обработки можно определить в сравнении с данными диаграммы приведенной на рис. 1. После обработки увеличился срок прорастания семян (реакция на шлифование), увеличились мощность и максимальная работа (реакция на возбуждающий эффект УФО).

 

Ø    Прорастание семян при воздействии сверхвысоких концентраций регулятора роста Эпина

 

Демонстрационный эксперимент, который выполнялся на четырех семенах для проверки гипотезы о токсичности данного регулятора роста.

Объект исследований – семена капусты сорта «Мара».

Условия – лабораторные, температура воздуха – 20⁰С, влажность – 80%. Проращивание семян выполнялось в чашках Петри на бумажном субстрате, смоченном раствором Эпина в дистиллированной воде с превышением нормы концентрации (2 мл/га) в 500 и 1000 раз. Контрольные семена находились только в дистиллированной воде.

На рисунке 3 приведена диаграмма прорастания двух контрольных и двух исследуемых семян. Семя, которое подверглось токсикации Эпином с 500 кратным превышением нормы концентрации, образовало зародышевый корень и затем погибло. Другое семя с большей концентрацией токсиканта погибло без роста зародышевого корня.

 

Рис 3. Диаграмма прорастания семян при сверхвысоких концентрациях регулятора роста Эпина.

 

Продолжая эксперименты и снижая концентрацию Эпина можно получить оптимальное её значение, оценить диапазон, эффективность.

 

Ø    Влияние качества воды на прорастание семян

Оценивалось влияние на прорастание семян талой воды от снежного покрова в экологических условиях города. В качестве контроля была взята вода из городского водопровода.

Объект исследований – семена капусты сорта «Мара».

Условия – лабораторные, температура воздуха – 20⁰С, влажность – 80%. Проращивание семян выполнялось в чашках Петри на бумажном субстрате, смоченном талой и водопроводной водой.

На рисунке 4 приведены показатели мощности проростков, а на рисунке 5 – максимальной работы проростков, в таблице 2 даны результаты теста проверки гипотезы о равенстве средних значений работ семян, проращиваемых на талой и водопроводной воде. Гипотеза равенства опровергается.

 

Рис. 4. Показатели мощности семян при прорастании на водопроводной (контроль) и талой воде.

 

Рис. 5. Показатели максимальной работы совершенной семенами при прорастании на водопроводной (контроль) и талой воде.

 

Таблица 2. Двухвыборочный t-тест с различными дисперсиями

 

Вода, полученная из снежного покрова (талая), в сравнении с водопроводной (стандартной), стимулирует прорастание семян. Возможно, наблюдается эффект структурированной воды.

Ø    Работа с инфицированными семенами

Проблемы, которые создают инфицированные семена, заключаются в распространении инфекции во время измерений. Измерительное устройство покрывается спорами грибов и бактериями. Так как устройство находится в камере воздушного хладотермостата (ХТ-3/70-1), то вентиляторы разносят их по всей поверхности камеры и в те места, куда нет доступа для проведения традиционной дезинфекции. При дальнейших измерениях они вновь распространяются на семена, инфицируя их. Эффективным средством для дезинфицирования измерительной техники является озонирование. Однако сильный окислитель повреждает изоляцию и проводящие элементы печатных плат, а также интегральные микросхемы в местах пайки их выводов. Поэтому, применялось дополнительное покрытие их защитными лаками.

Озонирование измерительной техники производилось перед каждым циклом экспериментов.

В процессе прорастания инфицированных семян происходит повреждение их бактериями и грибами, соответственно, показатели мощности и работы проростков снижаются в зависимости от степени поражения. Ниже приводятся результаты прорастания инфицированных (заспоренность превышала 60%) семян.

Объект исследований – семена капусты сорта «Мара».

Условия – лабораторные, температура воздуха – 20⁰С, влажность – 80%. Проращивание семян выполнялось в чашках Петри на бумажном субстрате, смоченном дистиллированной водой. Исследуемые семена прошли предпосевную обработку регулятором роста (Эпин 10^-6) и протравителями (Командор – 4 мл, ТМТД – 4 мл.). Контрольные семена проращивались без предпосевной обработки.

На рисунке 6 приведены показатели мощности, а на рис 7 – максимальная работа инфицированных семян с предпосевной обработкой и без неё.

 

Рис.6. Показатели мощности инфицированных проростков без обработки (контроль) и с предпосевной обработкой регулятором роста и протравителями.

 

Рис.7. Показатели максимальной работы инфицированных проростков без обработки (контроль) и с предпосевной обработкой регулятором роста и протравителями.

 

Фактически, предпосевная обработка в некоторой степени, скорректировала воздействие инфекции, но уровня нормальных здоровых семян не достигла, как по всхожести, так и по энергетическим показателям.

Ø    Заключение

Представленные материалы являются характеристикой метода и технических средств. В отличие от традиционных способов оценки семян, дающих ответ на вопрос: «Сколько семян прорасло?», – описываемый метод отвечает на вопросы: «Сколько семян прорасло и как они прорастали?».

 

 

Источники информации

• ГОСТ 30168-95 Семена сахарной свеклы. Методы определения силы роста. 1996.
• Кухлинг Х. Справочник по физике: Пер. с нем. 2-е изд. – М.: Мир, 1985. – 520 с., ил.
• Г.Корн, Т.Корн СПРАВОЧНИК ПО МАТЕМАТИКЕ. Для научных работников и инженеров – М., Наука, 1973. – 832 с., ил.

 

Автор не приводит описание технических средств, поскольку они, возможно, составляют предмет изобретения. Разработаны на основе устройств, которые применялись в следующей работе. Дендрометрическое определение реакции древесного растения на краткосрочное воздействие бенз(а)пирена / Р.В. Богаткевич, И.А. Шобанова, Е.А. Сидорович // Манiторынг i ацэнка стану раслiннага покрыва : Матэрыялы Мiжнароднай навукова-практычнай канферэнцыi. - Мiнск, 2003. - С.38-40 Адрес для контакта: mailto:R942@ya.ru