Мембранный потенциал зерен пшеницы под действием электрического тока как показатель всхожести

Введение. Оценка посевных качеств семян пшеницы в сжатые сроки играет важную роль в предпосевной пе- риод. Одним из основных показателей качества семян пшеницы является их всхожесть. По значению всхожести определяется пригодность семенного материала для посева, используется для расчета нормы высева.

На сегодняшний день для оценки всхожести посевного материала используется лабораторный метод, который состоит из следующих этапов: выход из состояния покоя (этап продолжается от 4 до 7 дней), затем следует проращивание семян (по продолжительности до 7 дней), определение количества проросших семян из исследуемых партий (как правило, это четыре пробы по 100 зерен), на основании которого делается вывод о проценте всхожести исследуемой партии [1]. Метод по ГОСТ является трудоемким, характеризуется длительным процессом подготовки, который включает несколько стадий. Провести оценку всхожести в сжатые сроки, используя данный метод, не получится. Поэтому данный вопрос является актуальным в настоящее время.

На сегодняшний день разработано два новых метода оценки всхожести семян пшеницы - это методы, основанные на электрических свойствах зерен пшеницы [2-4]. Основное преимущество данных методов заключается в сокращении времени определения всхожести. Каждый из представленных методов представляет собой механическое воздействие электродом-иглой на зерна пшеницы. И поскольку изменение мембранного потенциала вызывает также электрический ток, мембранный потенциал зерен пшеницы, возникающий при одновременном воздействии электродом-иглой и электрическим током, может выступать в качестве показателя их всхожести, что представляет собой практический интерес.

Цель исследования: оценить комплексное воздействие электрическим током и электродом-иглой на изменение мембранного потенциала зерен пшеницы разной всхожести для дальнейшего практического использования результатов.

Для достижения поставленной цели были сформированы следующие задачи :

• -    исследовать комплексное воздействие электрическим током и электродом-иглой на изменение мембранного потенциала зерен пшеницы разной всхожести;

• -    оценить результаты для дальнейшего практического применения.

Объектом исследования является мембранный потенциал зерен пшеницы разной всхожести.

Условия, материалы и методы исследования. Чтобы оценить комплексное воздействие электрическим током и электродом-иглой на изменение мембранного потенциала, был проведен ряд экспериментов для зерен пшеницы разной всхожести, а именно для зерен с низкой всхожестью (86 %) и высокой (96 %).

Экспериментальные исследования проводились с использованием термоустановки, которая в процессе проведения экспериментального исследования обеспечивала стабильность температуры, и измерительного блока, а именно измерительных электродов, платы сбора данных ЛА-50 USB, персонального компьютера для сбора и обработки данных, программного обеспечение [4, 5]. Функциональная схема системы сбора данных для измерения мембранного потенциала представлена на рисунке 1.

а

Рис. 1. Функциональная схема системы сбора данных для измерения мембранного потенциала: а – непосредственное включение зерна З в цепь устройства АЦП 50-USB;

б – включение зерна пшеницы З с использованием делителя напряжения

Исследование мембранного потенциала состояло из трех основных этапов: предварительная подготовка семенного материала (размещение семян в течение 12 ч в дистиллированной воде при заданной температуре в специальной термокамере), регистрация данных и первичная обработка результатов измерения, на основании которых далее строится график зависимости [4].

Первичная обработка экспериментальных результатов представляет собой низкочастотную фильтрацию полученных данных для выделения полезной составляющей сигнала, расчет среднего значения, оценку погрешности измерений и построение графика зависимости для дальнейшей оценки всхожести. Относительная погрешность изменения потенциала составляет 2 %.

Для экспериментального исследования использовались зерна озимой пшеницы сорта Зимушка с низкой и высокой всхожестью, а именно со всхожестью 86 и 96 % соответственно.

Перед проведением измерений зерна пшеницы укладывали в термоустановку на специальную форму, смоченную дистиллированной водой, при температуре 20 °С на 12 ч. Далее каждое зерно фиксировали электродом-зажимом, протыкали электродом-иглой. Для проведения исследований с электрическим током к измерительным электродам подключали источник постоянного тока (1,5 В), силу тока которого регулировали с помощью делителя напряжения (использовалось ограничительное сопротивление по току 0,33 Ом).

Результаты исследования. Воздействие электрического тока на оболочку зерна пшеницы вызывает изменение мембранного потенциала как у зерен пшеницы с низкой всхожестью (86 %), так и у зерен пшеницы со всхожестью 96 %.

На рисунке 2 представлены результаты экспериментальных исследований мембранного потенциала зерен пшеницы разной всхожести при механическом воздействии электродом-иглой и при одновременном механическом воздействии на оболочку зерна электродом-иглой и постоянным током (с ограничительным сопротивлением 0,33 Ом). На графиках отсчеты соответствуют времени (300 отсчетов = 1 с), запись сигнала происходила в течение 8 с. Для сравнения были проведены исследования изменения мембранного потенциала зерен пшеницы со всхожестью 86, 96 % только при механическом воздействии.

а                                                      б

Рис. 2. График изменения мембранного потенциала для зерен пшеницы со всхожестью 86; 96 % во времени: а – только при механическом воздействии электродом-иглой; б – при одновременном воздействии электродом-иглой и постоянным током

Без воздействия электрического тока начальное значение мембранного потенциала составило для зерен пшеницы с высокой всхожестью – 0,032 В, а для зерен пшеницы с низкой всхожестью – 0,045 В. Такая разница значений мембранного потенциала характеризуется разной концентрацией ионов на внутренней стороне оболочки и разной проницаемостью оболочек семян.

Установлено, что зерна пшеницы со всхожестью 96 % обладают более высокой проницаемостью оболочек по сравнению с семенами 86 % всхожести [3].

Поскольку на значение мембранного потенциала влияет изменение концентрации ионов на внешней стороне оболочки, для экспериментального исследования использовалась дистиллированная вода. Что, в свою очередь, обеспечило соотношение концентраций ионов внутри и снаружи зерна за счет внутренней концентрации ионов и свойств оболочки семян, которые и определяют качество семян, включая всхожесть. При дополнительном воздействии электрическим током получили почти одинаковые значения мембранного потенциала: для зерен со всхожестью 86 % – это -0,057±0,001 В, а для зерен с высокой всхожестью получили -0,060±0,001 В. Как видно из графиков рисунка 2, ток приводит к уменьшению мембранного потенциала для зерен с различной всхожестью. Уменьшение в данном случае происходит за счет уменьшения проницаемости мембраны. Диапазон изменения для зерен пшеницы с низкой всхожестью составил 0,006 В, а для зерен с высокой всхожестью – 0,020 В. Таким образом, диапазон изменения мембранного потенциала при комплексном воздействии на них электрическим током и электродом-иглой может быть использован в качестве дополнительного показателя всхожести зерен пшеницы [6].

Выводы. В результате экспериментальных исследований было установлено, что на дополнительное воздействие электрическим током реагируют зерна пшеницы как высокой (96 %), так и низкой всхожести (86 %), однако мембранные потенциалы в начальной точке для зерен пшеницы с высокой всхожестью и низкой всхожестью принимают почти одинаковые значения.

Диапазон изменения мембранного потенциала для зерен пшеницы с низкой всхожестью составил 0,006 В, а для зерен с высокой всхожестью – 0,020 В. Этот факт объясняется тем, что зерна с низкой всхожестью изначально имеют малую концентрацию ионов и малую проницаемость мембраны по сравнению с зернами с высокой всхожестью. Воздействие тока уменьшает проницаемость у всех зерен, но поскольку у зерен с высокой всхожестью концентрация ионов значительно выше, то при уменьшении проницаемости мембранный потенциал существенно увеличивается по модулю согласно логарифмической функции.