Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Проблемы оптимизации среды меристемных лабораторий 19
1.1. Задачи культивирования меристем. Оптимизационные факторы параметров устройства для выращивания растений 19
1.2. Оценка эффективности режима облучения, газового состава и температуры среды 22
1.3. Существующие модели процессов электрической активности растительных клеток высших растений 24
1.3.1. Электрическая активность структурных элементов растительной
клетки при установившихся параметрах окружающей среды 24
1.3.1.1. Электрофизиологическая модель плазматической мембраны растений 28
1.3.1.2. Факторы, влияющие на электрогенез клеток высших растений в покое 30
1.3.2. Потенциалы действия у высших растений 32
1.3.2.1. Импульсная электрическая активность у высших растений 32
1.3.2.2. Пороговые условия генерации потенциалов действия 35
1.3.2.3. Генерация ритмически повторяющихся потенциалов действия 36
1.3.2.4. Распространение потенциалов действия в тканях высших
растений 37
1.3.2.5. Электрохимическая модель генерации потенциала действия в растительных объектах 38
1.3.2.6. Особенности восстановительного периода у высших растений 39
1.3.3. Кинетическая модель фотосистемы высших растений 40
1.4. Обзор методик регистрации процессов происходящих в клетках растений 49
1.5. Требования к осветительным приборам 53
1.5.1. Анализ недостатков светотехнических установок 55
1.5.2. Постановка задачи по совершенствованию светотехнических установок 56
1.6. Требования к системе регистрации электрических потенциалов растений 61
1.6.1. Требования к электродам 62
1.6.2. Требования к электрометрическому усилителю 63
1.6.3. Требования к регистратору 63
1.7. Постановка задачи по регистрации процессов происходящих в клетках растений 64
Глава 2. Устройство регистрации биопотенциалов клеток растений 66
2.1. Модель системы "электрод — группа клеток растения" при введении электродов в ткань растения 66
2.2. Установка для регистрации электрических потенциалов растения 71
2.3. Методика отведения электрических потенциалов растения 72
2.4. Микроэлектроды, используемые для регистрации электрических потенциалов растения 74
2.5. Классификация помех, возникающих при регистрации электрических потенциалов растения 75
2.6. Электрометрический усилитель для регистрации электрических потенциалов растений 78
2.7. Комплекс регистрации и обработки электрических потенциалов растений 83
2.8. Отработка методики регистрации электрических потенциалов растений 86
2.9. Погрешности регистрации электрических потенциалов растений
при введении электродов 95
2.9.1. Модель крупной поры мембраны клетки 95
2.9.2. Определение погрешности регистрации электрических потенциалов действия клеток растений 101
2.10. Выводы к главе 2 105
Глава 3. Исследование биопотенциалов клеток при изменении освещенности растений, выращиваемых из стеблевых черенков картофеля 107
3.1. Исследования пороговых уровней освещенности при выращивании стеблевых черенков картофеля 107
3.1.1. Определение порогового потенциала действия стеблевых черенков картофеля при фотостимуляции лампами накаливания 108
3.1.2. Определение порогового потенциала действия стеблевых черенков картофеля при фотостимуляции люминесцентными лампами с высокочастотными источниками питания 114
3.2. Исследование изменения потенциала действия от величины освещенности 114
3.3. Анализ спектра излучения фотосинтетически активной радиации 116
3.3.1. Экспериментальная проверка идентификации ценоза картофеля, как растения, активно растущего в красном спектре излучения в условиях светокультуры 119
3.4. Выводы к главе 3 120
Глава 4. Совершенствование светотехнических установок для выращивания черенков картофеля в условиях светокультуры 121
4.1. Экспериментальные светотехнические установки 121
4.1.1. Светотехническая установка с люминесцентными лампами и электромагнитными пускорегулирующими аппаратами 121
4.1.2. Светотехническая установка с люминесцентными лампами и высокочастотными источниками питания 123
4.2. Характеристики светового потока люминесцентных ламп для различных схем светотехнических установок 129
4. 3. Выводы к главе 4 139
Заключение 141
Литература
- Оценка эффективности режима облучения, газового состава и температуры среды
- Методика отведения электрических потенциалов растения
- Определение порогового потенциала действия стеблевых черенков картофеля при фотостимуляции лампами накаливания
- Светотехническая установка с люминесцентными лампами и электромагнитными пускорегулирующими аппаратами
Введение к работе
Актуальность темы. Состояние биосферы и влияние на нее техногенной деятельности человека в промышленной и агропромышленной областях приобретает в настоящее время все более актуальное значение. Однако, необходимость прогнозирования результатов этой деятельности, оптимизации параметров воздействия на живые организмы и растения с целью обеспечения наилучших условий их репродуцирования и жизнедеятельности затруднено рядом обстоятельств. В частности, для контроля за развитием растений используется сложное дорогостоящее оборудование, а методики не могут качественно, с большой точностью и за сравнительно короткий промежуток времени оценить эффективность различных факторов, влияющих на рост растений. Непосредственную реакцию растений на внешние воздействия за небольшой промежуток времени наблюдать трудно, однако можно фиксировать биоэлектрическую реакцию клеток. В связи с развитием методики регистрации электрических сигналов с помощью микроэлектродной техники появилась возможность создания аппаратуры для определения мгновенной реакции зеленых растений на внешние воздействия. Наличие такой аппаратуры, обеспечивающей фиксацию изменения потенциала растений, откроет широкие возможности проведения мониторинга в условиях техногенеза и позволит перейти к задаче оптимизации условий жизнедеятельности зеленых растений. Предпосылками проведения исследований в этом направлении служат потребности научных учреждений, занимающихся мониторингом состояния многих сфер нашей жизни, которые в условиях техногенеза быстро меняются, предприятий АПК при производстве сельскохозяйственной продукции с обеспечением оптимальных условий жизнеобеспечения и получения урожаев, приближающихся к биологической урожайности сельскохозяйственных культур. Исследования научно-исследовательских учреждений (ИФХБ, ИРЭ РАН и др.), учебных центров (МГУ, ТСХА, Сар.ГУ и др.) показывают, что
внешние раздражители (такие как локальный нагрев, охлаждение, механическое воздействие) вызывают мгновенную реакцию, проявляющуюся в изменении электрического потенциала на мембранах клеток растений, что позволяет производить количественную оценку реакции.
Существует естественный диапазон параметров, включающий минимальные величины воздействия, приводящие к появлению реакций растений, и максимальные, превышение которых может приводить к торможению развития или к биологической смерти. В этом диапазоне параметров внешние воздействия используются природой зеленых растений в качестве основы процесса жизнедеятельности. В настоящее время определение величин пороговых параметров воздействия производится по конечным результатам жизнедеятельности (повышение или понижение урожайности, фиксирование биологической смерти и т.п.). Для научных исследований используются экспериментальные устройства, характеристики которых отвечают решению частных задач. Поэтому можно сделать вывод о том, что в настоящее время не существует методики, которая бы качественно, с большой степенью точности и сравнительно за короткий промежуток времени могла бы оценить эффективность различных факторов системы культивирования растений. Эта методика должна предусматривать регистрацию реакции растения на изменение внешних факторов. Одним из перспективных направлений развития экспресс методов является регистрация трансмембранных потенциалов клеток растений. Эти потенциалы можно использовать в качестве обратных связей системы воспроизводства растений, которая функционирует в определенных границах питательной среды, энергии светового потока, температуры и состава газовой среды. Система должна быть эффективной в отношении максимального воспроизводства растений и энергосбережения.
В настоящее время также нет комплекса для регистрации биопотенциалов растений, который был бы простым в эксплуатации и не требовал
12 специальных условий и высокой квалификации персонала. Такой комплекс позволит оптимизировать параметры среды обитания, найдет широкое применение при отработке технологии выращивания растений в светонепроницаемых культивационных сооружениях. Исследование влияния режимов освещения на рост растений позволит увеличить выход готовой продукции и решить задачу энергосбережения при выращивании растений.
Эффективность проводимых исследований по разработке комплекса и методики регистрации биопотенциалов определяется экономией средств и времени на мониторинг, сокращением сроков экспериментального установления наилучших условий жизнедеятельности растений.
Целью работы является разработка комплекса для регистрации и обработки биопотенциалов высших растений и его применение для определения требований к фотометрическим характеристикам осветительных установок, используемых для репродуцирования растений в условиях светокультуры.
В соответствии с поставленной целью в работе решались задачи:
1. Разработка модели процесса отведения электрического потенциала с
группы клеток растения с помощью микроэлектродной техники при введении
электродов в ткань растения.
Разработка методики и комплекса для регистрации и обработки биопотенциалов растений.
Определение пороговых значений реакций растений на изменение различных внешних факторов.
Определение фотометрических характеристик и совершенствование светотехнических установок для репродуцирования растений в условиях светокультуры.
Объектом исследования являются: метод и аппаратура отведения биопотенциалов высших растений при фотостимуляции растений источниками излучения с различным спектральным составом и формой светового потока.
Предметом исследования являются: методика введения электродов в ткань растения для отведения биопотенциалов; экспериментальное определение с помощью разработанного комплекса пороговых значений освещенности и спектрального состава излучения, влияющих на осуществление процесса фотосинтеза; исследование влияния формы пульсации светового потока различных типов осветительных установок на скорость осуществления процесса фотосинтеза в растениях.
Методы исследования. В работе применялись модели электрохимических и фотосинтетических процессов в высших растениях, теоретические основы электроники, электротехники, информационно-измерительной техники, а также методы научного эксперимента.
Достоверность и обоснованность. Достоверность теоретических разработок подтверждена экспериментальными исследованиями влияния светового излучения на воспроизводство растений. Результаты исследований подтверждены практикой выращивания растений в меристемной лаборатории Удмуртского государственного научно-исследовательского института сельского хозяйства.
На защиту выносятся следующие результаты:
Комплекс для регистрации электрических потенциалов растений с новой методикой регистрации электрических потенциалов растений.
Электрофизиологическая модель системы "электрод-группа клеток растения".
Уточненные значения пороговых потенциалов действия стеблевых черенков картофеля при фотостимуляции люминесцентными лампами и лампами накаливания.
Результат идентификации ценоза картофеля, как растения, активно растущего в красном спектре излучения, в условиях светокультуры.
5. Светотехническая установка с высокочастотными источниками
питания люминесцентных ламп, обеспечивающая максимальную скорость
14 осуществления процесса фотосинтеза при выращивании растений в условиях светокультуры.
Научная новизна:
1. Реализованная с помощью комплекса для регистрации электрических
потенциалов растений методика регистрации потенциалов действия позволяет
учитывать влияние микродавления электродов на клетки растения при
введении электродов в ткань растения и освещении растений осветительными
установками с различными светильниками.
Предложенная электрофизиологическая модель системы "электрод-группа клеток растения" позволяет устанавливать связь между выходным сигналом электроизмерительного устройства, ионными потоками крупной поры клетки, электрическим сопротивлением тонопласта, плазмолеммы, клеточной стенки и электродов для группы клеток.
Уточнены пороговые значения освещенности растения картофеля. Показано, что для ламп накаливания это значение составляет 5-6103 Лк, а для люминесцентных ламп - 7,5-9' 10 Лк.
Впервые установлено, что длинноволновая часть спектра излучения фотосинтетической активной радиации имеет наибольшую значимость для жизнедеятельности растения картофеля.
5. Решена задача определения параметров светового потока,
обеспечивающего максимальную скорость осуществления процесса
фотосинтеза при выращивании растений в условиях светокультуры.
Теоретически и экспериментально показано, что схемы люминесцентных ламп,
питающиеся от высокочастотного источника питания, обеспечивают
наибольшую скорость роста растений.
Практическая ценность. Предложенные технические решения просты в реализации и в эксплуатации, не требуют специальных условий работы и высокой квалификации персонала. Разработанные комплекс и методика регистрации электрических потенциалов растений позволяют определять
15 пороговые значения освещенности и оценивать влияние спектрального состава излучения фотосинтетически активной радиации высших растений. Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные в работе, позволяют обеспечивать максимальную скорость фотосинтеза при выращивании растений в условиях светокультуры.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты
диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно и научно-
технических конференциях: научно-техническая конференция
«Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки, образования и производства»
(ИжГТУ. Ижевск, 2001), «Приборостроение в XXI веке. Интеграция науки,
образования и производства» (ГОУ ВПО «ИжГТУ», Ижевск, 2004), научно-
техническая конференция «Электрооборудование, электроснабжение,
электросбережение» (ГОУ ВПО «ИжГТУ», Ижевск, 2004), Всероссийская
научно-практическая конференция «Современные проблемы аграрной науки и
пути их решения» (ФГОУ ВПО «ИжГСХА», Ижевск, 2005), Всероссийская
научно-техническая конференция «Системы управления электротехническими
объектами» (ТулГУ, Тула, 2005).
Публикации. Материалы, отражающие основное содержание диссертации, опубликованы в 5 статьях и 5 тезисах докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 222 наименований и 3 приложений. Диссертация изложена на 157 листах, содержит 13 таблиц, 72 иллюстрации.
В работе рассмотрены вопросы разработки комплекса для регистрации биопотенциалов высших растений и его применение для определения требований к фотометрическим характеристикам осветительных установок, используемых для репродуцирования растений в условиях светокультуры.
В первой главе представлен анализ существующей технологии культивирования меристем, массового размножения клонов и выращивания
микроклубней в условиях светокультуры. Проанализированы существующие методы оценки эффективности режима излучения, газового состава и температуры среды при выращивании растений в условиях светокультуры. Показаны недостатки существующих методик, имеющих большую продолжительность проведения экспериментов при изменении минимума факторов из всей совокупной системы. На основе анализа электрофизиологической модели плазматической мембраны растений, электрохимической модели генерации потенциалов действия в растительных объектах, кинетической модели фотосистемы высших растений выявлено, что импульсная электрическая активность растений не является пассивным отражением изменения их физиологического состояния. Импульсная электрическая активность растений играет самостоятельную роль, передавая сигналы об изменениях в среде и вызывая ответ на эти реакции. Показаны недостатки применяемых светотехнических установок в условиях светонепроницаемых культивационных сооружений. Выявлены требования к осветительным приборам с точки зрения параметров светового излучения растений. Предложено использовать осветительные установки (ОУ) с люминесцентными лампами, отличающиеся от существующих ОУ тем, что они питаются от высокочастотных электронных пускорегулирующих аппаратов (ЭПРА). Предложенные ОУ позволяют не только оптимизировать параметры светового излучения, но и обеспечить значительную экономию электроэнергии. На основании выявленных требований к системе для регистрации электрических потенциалов растений, предложено специализированное устройство по отведению биопотенциалов растений, которое отличается от существующих устройств простотой эксплуатации и не требует специальных условий и высокой квалификации персонала.
Во второй главе предложена модель системы "электрод - группа клеток растения" при введении электродов в ткань растения, которая позволила выявить основные направления при разработке устройства и методики для
17 регистрации биопотенциалов клеток растений. Предложенная модель отличается от известных моделей тем, что представляет процесс отведения электрического потенциала с группы клеток при введении микроэлектродов в ткань растения. Модель подтверждена в экспериментах по определению пороговых потенциалов действия при фотостимуляции растений. Комплекс для регистрации электрических потенциалов растений разработан на современной элементной базе, прост в эксплуатации и не требует специальных условий и высокой квалификации персонала. Регистрируемые комплексом электрические потенциалы в реальном масштабе времени позволяют определять мгновенную реакцию растений на внешние воздействия. Рассмотрены вопросы погрешности регистрации электрических потенциалов растений при введении электродов.
В третьей главе экспериментально определены пороговые значения потенциалов действия стеблевых черенков картофеля при фотостимуляции световым потоком от искусственных источников света. Анализ изменения потенциалов действия от величины освещенности показывает, что в ответ на фотостимуляцию люминесцентными лампами биоэлектрические отклики наблюдались при освещенностях в два раза больших значений, рекомендуемых в типовом технологическом процессе. Анализ изменения потенциалов действия на фотостимуляцию лампами накаливания подтвердили предположения об особой значимости для жизнедеятельности растения картофеля длинноволновой части спектра излучения, то есть ценоз картофеля относится к группе растений активно растущих в красном спектре излучения в условиях светокультуры.
В четвертой главе приведены результаты моделирования изменения пульсаций светового потока для различных схем осветительных установок, обеспечивающих максимальную скорость осуществления процесса фотосинтеза. Теоретически и экспериментально показано, что схемы люминесцентных ламп, питающихся от высокочастотных источников питания, обеспечивают наибольшую скорость роста растений. На макетном образце
18 электронного пускорегулирующего аппарата люминесцентной лампы исследованы вопросы обеспечения надежной работы схемы аппарата, определены параметры резонансного контура зажигания люминесцентных ламп на высокой частоте, исследованы возможности регулирования светового потока необходимого для воспроизведения режима освещения растений в условиях светокультуры.
В приложениях приведены: методика регистрации и обработки биопотенциалов растений; схемы электронных пускорегулирующих аппаратов люминесцентных ламп; акт испытания комплекса регистрации пороговых уровней биоэлектрических реакций растений при фотоиндуцировании; акт испытания светотехнической установки для выращивания меристем и пробирочных растений.
Работа выполнена в Ижевском государственном техническом университете.
Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность научному руководителю Барсукову В.К. за многолетнее плодотворное сотрудничество и критические замечания при выполнении диссертационного исследования, коллегам по работе и всем, кто принял участие в обсуждении работы.
Оценка эффективности режима облучения, газового состава и температуры среды
Практика выращивания элитного посевного картофеля показала, что существующая технология культивирования меристем, массового размножения безвирусных клонов и выращивания микроклубней предусматривает с минимальной точностью значения параметров среды и совсем не учитывает оптимальную динамичность излучения. Применяемые светотехнические установки не обеспечивают оптимальных параметров уровня освещенности и спектрального состава для культуры картофеля.
В соответствии с работами [202,213] установлено, что технология выращивания в условиях in vitro связана с применением светонепроницаемых культивационных сооружений, позволяющих в кратчайшие сроки репродуцировать растения в условиях светокультуры. Технология массового размножения безвирусных клонов и выращивания микроклубней имеет теоретическое обоснование, в то время как задача культивирования меристем в отношении оптимизации параметров среды не решена.
В условиях существующего состава питательной среды основополагающими являются три фактора: реально используемая растением энергия светового излучения, оптимальная температура и газовая среда. Эти три фактора являются отправной точкой задачи оптимизации параметров устройства для выращивания растений. Существуют следующие методы оценки эффективности режима излучения, газового состава и температуры среды: - исходя из производственно-хозяйственной деятельности по конечному продукту биомассы растений. В этом случае на оценку эффективности будет влиять вся совокупность факторов, определяющих режимы облучения, среду и условия выращивания растений. Недостатком этого метода является большая продолжительность опытов во времени при изменении минимума факторов из всей совокупной системы. - исходя из фотохимической природы фотосинтеза, по объемному параметру выделения кислорода или поглощения СОг- Недостатком первого метода является то, что он не дает возможность выявить ритм жизнедеятельности клетки растения, так как определяется не чистое выделение кислорода растением, а разница между балансом прихода и расхода кислорода. Поглощение С02 растением связано со многими лимитирующими факторами, учет которых является сложной задачей. Например: нехватка воды снижает скорость фотосинтеза, так как процесс тормозится из-за того, что закрываются устьица и уменьшается поступление С02 в лист [31].
В настоящее время нет методики, которая бы качественно, с большой степенью точности и сравнительно за короткий промежуток времени могла бы оценить эффективность различных факторов системы культивирования меристем, ускоренного размножения оздоровленных клонов и получения микроклубней. Эта методика должна предусматривать экспресс метод по выявлению обратных реакций растения на изменение внешних факторов. Одним из перспективных направлений развития экспресс методов является регистрация трансмембранных потенциалов растений на изменение внешних факторов. Эти потенциалы можно использовать в качестве обратных связей системы воспроизводства растений, которая функционирует в определенных оптимизационных границах питательной среды, энергии светового потока, температуры и состава газовой среды. Система должна быть эффективной в отношении максимального воспроизводства растений и энергосбережения. Исследования Дж. Чандра Боса, И.И. Гунара, В.Г. Карманова, В.П. Казначеева, К. Бакстера [8,29,41,54,58,168] показали, что электрические импульсы и процессы, возникающие в растениях, имеют много общего с электрическими процессами, происходящими в организме животных.
В.Н. Пушкин, В.М. Фетисов, Г.И. Ангушев применяя метод Тарханова, получили устойчивую регистрацию собственных электрических реакций растений с помощью электроэнцефалографа [4,41]. При решении оптимизационных задач меристемных лабораторий, в качестве одного из экспресс-методов по выявлению обратных реакций растений на изменение внешних факторов, предлагается регистрация собственных электрических потенциалов растений.
Методика отведения электрических потенциалов растения
При отведении электрических потенциалов растения используют: - микроэлектродную технику с введением микроэлектрода в клетку для внутриклеточного измерения; - электродную технику для отведения поверхностного потенциала, то есть без введения электрода в ткань растения для внеклеточного измерения; - измерение потенциалов покоя методом флуоресцентных зондов.
При внутриклеточном отведении потенциала широко применяются стеклянные микроэлектроды. Диаметр стеклянного капилляра выбирается меньшим, чем размеры клетки растения. Однако при этом не исключены погрешности, вызванные изменением биохимии клетки при введении инородного тела и частичного ее повреждения. Для предотвращения попадания содержимого клетки в канал введенного микроэлектрода, последний заполняют токопроводящим гелем (КС1, агар). Число повторных введений одного и того же микроэлектрода, учитывая большую вероятность притупления или слома кончика стеклянного капилляра о жесткую клеточную стенку, должно быть минимальным [117].
Внеклеточная регистрация биоэлектрической активности клеток растения основана на симпластической природе электрической полярности объекта. Для отведения поверхностного потенциала используется методика аналогичная методике снятия кардиограмм и энцефалограмм в медицине, при этом контакт электродов с поверхностью растения осуществляется при помощи электропроводящих гелей.
Биоэлектрические процессы, регистрируемые при помощи электродов, часто искажены помехами. Помехи возникают в основном из-за высокого межэлектродного сопротивления и поляризации электродов. Для уменьшения действия этих явлений применяют специальные пасты, "многоточечные" электроды, обрабатывают поверхность разными смесями. В неполяризующихся электродах применяют раствор хлористого калия или натрия. Тогда электрод и участок поверхности растения представляют собой два полюса гальванического элемента, электролитом которого является раствор. Электродвижущая сила такого элемента достигает нескольких сотен милливольт. От усилия прижатия электрода зависит как внутреннее сопротивление элемента, так и электродвижущая сила [198]. В то же время изменение стационарного уровня электрического потенциала растения составляет от долей до несколько десятков милливольт. Из выше изложенного следует, что малейшие вибрации растения вызывают значительные смещения изоэлектрической линии. В связи с этим применяют каломельные или хлорсеребряные неполяризующиеся электроды [31,119,176], заполненные ненасыщенным раствором КС1. Для обеспечения контакта с поверхностью растения используют хлопчатобумажные фитили через переходные насадки с водопроводной водой [117,196,197]. Некоторые авторы, работающие с наземными высшими растениями, отмечают, что водная среда не является их естественной средой обитания.
Измерение потенциалов покоя методом флуоресцентных зондов основано на изменении интенсивности их флуоресценции при соответствующих изменениях трансмембранного потенциала или его возникновении на везикулах растения. Относительные единицы, в которых выражается интенсивность флуоресценции, путем калибровки переводят в милливольты, при этом указывается, что применение флуоресцентных зондов имеет определенные ограничения. Например, цианиновые зонды обнаруживают чувствительность не только к трансмембранному потенциалу, но и к поверхностному потенциалу. Также может снижаться внутриклеточный уровень АТФ и происходить деполяризация клеточной мембраны.
В этой связи отмечены многочисленные расхождения данных по регистрации потенциалов растений, полученных с помощью флуоресцентных зондов и микроэлектродов.
В соответствии с вышеизложенным сделан вывод, что известные методики по регистрации электрических потенциалов растений сопряжены с многочисленными техническими трудностями при изготовлении и применении микроэлектродов, а также необходимой высокой квалификацией экспериментаторов. Это в свою очередь ограничивает широкое применение регистрации электрических потенциалов растений, как экспресс-метода по выявлению обратных реакций растений на изменение внешних факторов. Предлагается упростить конструкцию микроэлектродов при отведении внутриклеточного потенциала. Заточка платиновой проволоки электрохимическим методом [104] позволяет получить электрод с диаметром кончика, сопоставимым с диаметром клетки растения. В экспериментах использовались платиновые микроэлектроды. Микроэлектроды припаивались к цанговым сменным насадкам и надевались на наконечники, припаянные непосредственно к плате электрометрического усилителя.
Предлагаемая конструкция микроэлектродов позволяет проводить регистрацию электрических потенциалов растения с минимальными затратами на их изготовление. Одновременно обеспечивается возможность многократного введения в ткань растения.
Определение порогового потенциала действия стеблевых черенков картофеля при фотостимуляции лампами накаливания
Отраслевой стандарт (ОСТ 10 004-93) "Картофель семенной. Оздоровленный исходный материал. Выращивание в условиях in vitro" устанавливает в частности требования к выполнению технологического процесса по выращиванию оздоровленного исходного материала in vitro, который должен обеспечивать получение необходимого объема пробирочных растений и микроклубней, удовлетворяющих требованиям к их качеству. Типовой технологический процесс кроме оздоровления и культивирования меристемной ткани, массового размножения безвирусных клонов включает этап получения микроклубней. Для ускоренного размножения оздоровленного материала используют микроклубни, полученные in vitro. Для этого ранее полученные оздоровленные пробирочные стеблевые черенки высаживают в твердую питательную среду при 10-12 часовом фотопериоде, освещенностью 3-5 тыс. Лк, при температуре 24-26 С. Для освещения используют осветительные установки с люминесцентными лампами (ЛБ-40, ЛДД-40, ЛД-40 и другие). Лампы монтируют на расстоянии 0,5 м от растений. Для исключения перегрева растений от дросселей, их размещают внизу осветительного блока. Блок ламп размещают вертикально. Как показала практика применения таких устройств освещения растений культивируемых in vitro, полностью устранить температурное воздействие дросселей не представляется возможным, а освещенность 3-5 тыс. Лк недостаточна.
Предлагается использовать осветительную установку с люминесцентными лампами (ЛЛ) того же типа, но с высокочастотными источниками питания (ВИЛ), преимущества которых над источниками питания с дроссельными схемами показаны в первой главе. Для определения необходимой освещенности растений использовался комплекс регистрации и обработки биопотенциалов высших растений. Потенциалы действия являются наиболее ранней и существенной ответной реакцией растительных клеток на внешние воздействия. Применена методика двухфазного отведения потенциалов действия с электрофизиологическим контролем потенциала при введении микроэлектродов в ткань растения картофеля.
Для определения потенциалов действия стеблевые черенки фотостимулировались при температуре 23-24С. В экспериментах использовались сорта картофеля, включенные в Государственный реестр сортов, допущенных к использованию в производстве.
Для определения порогового значения потенциала действия стеблевые черенки картофеля стимулировались световым потоком лампы накаливания (ЛН). В экспериментах № 7-Ю (рис.3.1-3.4) растение стимулировалось световым потоком ЛН с минимальных значений до максимально возможных значений циклически. Цикл включения 100 сек чередовался с циклом восстановительного периода 100 сек, в течении которого ЛН отключалась. Как показали экспериментальные исследования, 100 сек достаточно для окончания
восстановительного периода у растения картофеля. Экспериментальные зависимости отклика AU от изменения значения освещенности ЛН и ЛЛ были аппроксимированы методом минимизации суммы квадратов отклонений исходных данных [3]. В эксперименте №13 (рис.3.10) растение картофеля фотостимулировалось освещением ЛЛ ВРШ. На 20 сек произведено включение ламп без фотостимуляции (ЛЛ ВРШ закрыты шторками), шторки открыты на 50 сек Е=3000 Лк, на 150 сек освещенность увеличена до Е=6500 Лк.
В эксперименте №14 (рис.3.11) при постоянной освещенности Е=7500 Лк шторки открывались на 50 сек и на 450 сек закрывались, затем на 600 сек были вторично открыты и на 800 сек закрыты.
В эксперименте №15 (рис.3.12) при постоянной освещенности Е= 10000 Лк шторки открыты на 50 сек, на 300 сек шторки закрыты, на 280 сек растение полито водой, на 340 сек ЛЛ отключены.
На рис. 3.5, 3.7, 3.9 построены графики зависимости отклика AU от изменения интенсивности освещенности ЛН растения картофеля в экспериментах № 7-12.
На рис. 3.13 построен график зависимости отклика AU от изменения интенсивности освещенности люминесцентных ламп с ВРШ при освещении растения картофеля в экспериментах № 13-15.
Анализ изменения потенциала действия от величины освещенности (рис. 3.5, 3.7, 3.9) показывает, что первые существенные биоэлектрические отклики AU растения картофеля на фотостимуляцию освещением лампой накаливания наблюдались при достижении освещенности значений 5-6 тыс. Лк. При достижении освещенности значений 13-14 тыс. Лк биоэлектрический отклик AU увеличивался в 2-2,5 раза.
Анализ изменения потенциала действия от величины освещенности (рис. 3.13) показывает, что в ответ на фотостимуляцию освещением ЛЛ биоэлектрические отклики AU наблюдались при освещенности 7,5-9 тыс. Лк, что в 2 раза больше значения рекомендуемого в типовом технологическом процессе (ОСТ 10 004-93).
Для создания энергосберегающей технологии выращивания микроклубней растения картофеля в условиях полной светокультуры, кроме интенсивности излучения важно знать, каким должно быть по спектру излучение фотосинтетически активной радиации (ФАР). Функцию спектральной чувствительности растения, как приемника оптического излучения, в соответствии с [165] можно представить в виде 117 K = f[E(X);A], (3.1) где К - функция спектральной чувствительности растения, как приемника оптического излучения; Е(Х) — соответствующий данному процессу уровень освещенности определенного спектрального диапазона; Л - множество, состоящее из всех длин волн X, принадлежащих спектральному диапазону ФАР (400 - 700 нм). Также известно, что условие спектральной аддитивности в отношении полезной реакции (фотосинтез, урожай и др.) для К в целом не выполняется, т.е. Xп=700нм Bj(Ej; Д?ч) Ф Ebj(EX0 , (3.2) Хі=400нм где Bj- величина, характеризующая исследуемый процесс биосинтеза, т.е. образования биомассы, фотосинтез, и др.; АХ,- узкий і - й спектральный диапазон; bj - значение j - го исследуемого процесса при облученности в узком ( спектральном диапазоне АХ;.
Можно говорить об отсутствии спектральной аддитивности в отношении физиологических процессов, в то время как в математическом отношении аддитивность функции К не нарушена.
С учетом этого эффективный поток излучения Ф определяется Х=700нм Ф = Е К[Е(Х);Л]ф(Х) ДА., (3.3) Х=400нм V где ф(А,) - функция распределения энергии в спектре излучения источника света.
Знание свойств фитоценоза, как приемника оптического излучения, позволяет более корректно определять его требования к режимам освещения в условиях светокультуры. Исследования в этом направлении показали, что поиск функции спектральной чувствительности для каждого вида растений не имеет смысла, так как многие виды растений имеют близкие требования к спектру и интенсивности ФАР[165].
Важно знать критерий, классифицирующий растения на разные группы. В качестве такого критерия принята чувствительность растений к красному спектру излучения, тогда виды растений, выращиваемых в условиях светокультуры, делятся натри группы [165, 166]: - растения, погибающие при длительном воздействии красного света;
- растения, активно растущие в красном спектре излучения;
- растения, наиболее активно растущие на белом свету.
Растение картофеля относиться к роду пасленовых, к этому же роду относиться и ценоз томата. В соответствии с [128,166] томаты активно растут и плодоносят в красном спектре излучения. Поэтому можно выдвинуть предположение, о том, что требования к спектру и интенсивности ФАР ценоза томата близки к требованиям ФАР ценоза картофеля. В [128] отмечено важнейшее значение в достижении высокой продуктивности ценоза томата излучения в области 600-700 нм. Максимальный уровень продуктивности в эксперименте был достигнут при Е(боо-7оонм) = 75%, хотя о признаках насыщения этой зависимости можно было говорить при Е(боо-70онм) = (60-65)%. Освещение в диапазонах 400-500 и 500-600 нм необходимо в незначительных долях, обеспечивая, по видимому, фотоморфогенетические процессы в растениях. Сформулированные на основании проведенных исследований требования к предпочтительным спектральным характеристикам для ценоза томата характеризуются соотношениями:
