Сравнение биоэлектрических сигналов щуплых и выполненных семян пшеницы

Введение. Высокое качество семян пшеницы может обеспечить реализацию всех потенциальных возможностей сорта, но самый высокопродуктивный сорт может дать низкий урожай, если для высева использовать семена плохого качества. Снижение урожайности может быть вызвано различными факторами, в том числе использованием щуплых семян для высева. Как правило, щуплыми называются семена мелкие, часто морщинистые, с ограниченным запасом питательных веществ, иногда состоящие почти из одной оболочечной ткани (ГОСТ 27186-86. Зерно заготовляемое и поставляемое. Термины и определения) [1, 2, 3]. Щуплые семена отличаются низкой лабораторной всхожестью.

Лабораторная всхожесть семян является основным показателем посевного качества.

Здоровые, правильно сформированные, полновесные, выполненные семена без повре- ждений с высокой лабораторной всхожестью могут обеспечить полноценные всходы [2].

Существует множество методов диагностики качества посевного материала. Традиционные методы в соответствии с правилами Международной ассоциации по контролю качества семян включают оценку показателей лабораторной всхожести (ГОСТ 12038-84. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести.) и энергии прорастания семян, которые не всегда являются достаточно информативными [4].

Существуют альтернативные методы диагностики качества семян пшеницы, которые включают лабораторные исследования с использованием регуляторов роста, с окрашиванием тетразолем, тесты оценки жизнеспособности и другие методы [3, 5, 6, 7]. Однако эти методы достаточно трудоемки, отличаются продолжительностью исследования, поэтому поиск надежного, достоверного метода диагностики качества посевного материала в кратчайшие сроки с учетом щуплых/выполненных семян является перспективным направлением.

Качество посевного материала зависит от ряда физических, физиолого-биологических свойств семян пшеницы [2]. Одним из таких свойств является способность генерации биоэлектрических сигналов [8, 9, 10, 11, 12].

Метод, основанный на исследовании биоэлектрических сигналов семян пшеницы, является также альтернативным и позволяет в кратчайшие сроки получить достоверную оценку всхожести семян пшеницы по значениям биоэлектрических сигналов семян, возникающих при механическом воздействии на них [8]. Экспериментально установлено, что значение биоэлектрического сигнала зависит от всхожести семян пшеницы. Чем выше всхожесть, тем ниже значение потенциала покоя [8].

Однако семенной материал может быть не однороден по своему составу, может включать как выполненные, так и щуплые семена, поэтому исследование биоэлектрических сигналов отдельных групп семян – щуплых и выполненных – является актуальным вопросом.

Целью данной работы является сравнение биоэлектрических сигналов щуплых и выполненных семян пшеницы для дальнейшего практического применения результатов.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

• –    разделить пробу семян пшеницы на фракции с помощью лабораторного парусного классификатора К-93 по скорости воздушного потока 8 м/с, 9 м/с, 10 м/с, 11 м/с;

• –    в каждой фракции визуально выделить щуплые и выполненные семена;

• –    выполнить экспериментальное исследование биоэлектрических сигналов, полученных от щуплых и выполненных семян;

• –    сравнить биоэлектрические сигналы семян пшеницы.

Методика исследования. Для проведения экспериментального исследования отобрана проба из партии семян пшеницы сорта «Гранни», предоставленная ООО «Вирт» Целинного района Алтайского края.

Семена разделены на 4 фракции с помощью лабораторного парусного классификатора К-93 по скорости воздушного потока 8 м/с, 9 м/с, 10 м/с, 11 м/с. Из каждой фракции были отобра- ны по 20 семян для измерения биоэлектрических сигналов.

В каждом эксперименте перед измерением биоэлектрических сигналов проведена подготовка семян. Семена укладывались в гнезда поролоновых форм, формы помещались на пластиковые лотки, пропитывались дистиллированной водой и устанавливались в термокамеру на 16 часов при температуре 20 °С.

При визуальном анализе семян во фракциях с аэродинамическими свойствами 8 м/с и 9 м/с обнаружены щуплые семена. Во фракции 8 м/с было 20 семян, из которых визуально обнаружены щуплые семена в количестве 5 шт. Во фракции 9 м/с было 20 семян, из них щуплых – 3 шт. Во фракциях 10 м/с и 11 м/с содержалось по 20 семян, визуально щуплых не обнаружено. В каждой фракции обнаружены наклюнувшиеся семена, у которых видна колеориза, и семена без визуальных изменений.

Для экспериментального исследования биоэлектрических сигналов применялся метод, основанный на изменении мембранного потенциала [8]. Каждое зерно помещали в электрод-держатель, затем прокалывали электродом-иглой его оболочку и производили запись электрического сигнала на ПК [8]. Для исключения высокочастотной помехи в полученном сигнале осуществляли низкочастотную фильтрацию [8] и определяли максимальное значение.

Результаты исследований и их обсуждение. В результате исследований было выявлено, что наличие щуплых семян в пробе значительно влияет на среднее максимальное значение и дисперсию биоэлектрического сигнала всей пробы.

На рисунке 1 представлены сигналы семян пшеницы из фракции, отобранной при скорости витания 8 м/с. Для сравнения выбрано две группы семян – щуплые и выполненные семена.

Всего во фракции 8 м/с визуально выявлено 5 штук щуплых семян из 20. Однако анализ биоэлектрических сигналов показал, что в выборке присутствуют сигналы, максимальные значения которых значительно отличаются от максимальных значений выполненных семян. Для проверки принадлежности этих значений набору данных выполненных семян использовали критерий Граббса [13]. В результате анализа установили, что из 15 оставшихся сигналов еще 2 сигнала принадлежат группе щуплых семян.

Это говорит о наличии семян в состоянии скрытой щуплости, когда семена имеют внешний вид выполненного зерна и нормальную структуру покровной ткани [3], но по свойству схожи со свойствами щуплого зерна. Таким образом, во фракции с аэродинамическими свойствами 8 м/с выявлено 7 щуплых и 13 выполненных семян.

Рисунок 1 – Средние максимальные значения биоэлектрических сигналов от щуплых и выполненных семян пшеницы из фракции 8 м/с

В результате исследования семян пшеницы из фракции 8 м/с установлено, что максимальное значение биоэлектрического сигнала у щуплых семян значительно превышает максимальное значение биоэлектрического сигнала выполненных семян. Максимальное значение биоэлектрического сигнала щуплых семян составило 322 мВ, выполненных семян – 263 мВ. Разница составляет 59 мВ.

Отличие между средними максимальными значениями биоэлектрических сигналов щуплых и выполненных семян является значимым. Из-за малого количества щуплых семян и большого диапазона отличий максимальных значений их выборочные оценки дисперсий превышают выборочные оценки дисперсий выполненных семян. Используя процедуру двухвыборочного t-теста с различными дисперсиями на уровне значимости 0,05, подтвердилась альтернативная гипотеза о том, что средние значения не равны [14].

Аналогичное исследование семян из фракции 9 м/с представлено на рисунке 2.

Средние максимальные значения биоэлектрических сигналов семян из фракции 9 м/с ниже, чем у семян, отсортированных на скорости 8 м/с. Во фракции с аэродинамическими свойствами 9 м/с выявлено 4 щуплых (из них одно в состоянии скрытой щуплости) и 16 выполненных семян. Среднее максимальное значение биоэлектрического сигнала щуплых семян составило 286 мВ. Выполненных семян – 258 мВ. Разница равна 28 мВ.

Во фракциях семян, отфильтрованных при скоростях 10 м/с и 11 м/с, визуально щуплых семян не обнаружено. Однако анализ биоэлектрических сигналов показал, что в каждой фракции такие семена есть. Используя критерий Граббса [13] и процедуру двухвыборочного t-теста [14], было подтверждено, что для семян фракции 10 м/с из 20 сигналов 3 максимальных значения отличаются от сигналов общей группы семян, поэтому были отнесены к группе щуплых семян. Для семян фракции 11 м/с из 20 сигналов 2 максимальных значения были отнесены к группе щуплых семян.

Результаты исследования представлены на рисунке 3.

Рисунок 2 – Средние максимальные значения биоэлектрических сигналов от щуплых и выполненных семян пшеницы из фракции 9 м/с

Рисунок 3 – Средние максимальные значения биоэлектрических сигналов от щуплых и выполненных семян пшеницы из фракции 10 и 11 м/с

Среднее максимальное значение биоэлектрических сигналов щуплых семян из фракции 10 м/с составило 222 мВ. Для выполненных семян – 149 мВ. Разница – 73 мВ. Среднее максимальное значение биоэлектрических сигналов для щуплых семян из фракции 11 м/с составило 192 мВ, для выполненных семян – 109 мВ. Разница составляет 83 мВ.

После проведения измерений зерна вернули в поролоновые формы, оставили в термокамере на 5 дней при установленной температуре 20 ° С. По истечении 5 дней подсчитали количество проросших семян (ГОСТ 12038-84. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести). Итоговые данные по всему эксперименту представлены в таблице.

Максимальное значение биоэлектрического сигнала является характеристикой свойства семян, которая отражает их качество. В данном случае качество как фактор имеет два уровня – щуплые и выполненные семена. Для определения щуплых семян проба была разделена на 4 фракции по аэродинамическим свойствам 8 м/с, 9 м/с, 10 м/с, 11 м/с.

Для семян каждой фракции были проведены визуальный анализ и экспериментальное исследование биоэлектрических сигналов, полученных от щуплых и выполненных семян. Для установления возможного отличия средних максимальных значений биоэлектрических сигналов от щуплых и выполненных семян применен критерий Граббса и выполнена процедура двухвыборочного t-теста.

Результаты экспериментальных исследований

Фракция, м/с	Всхожесть, %	Максимум, мВ		Кол-во выполненных семян, шт. (%)	Кол-во щуплых семян, шт. (%)	Щуплые семена, выявленные визуально, шт.	Щуплые семена, выявленные по биоэлектрическому сигналу, шт.
		выполненные	щуплые
8	50	263 ± 4	322 ± 21	13 (65%)	7 (35%)	5	2
9	100	258 ± 3	286 ± 22	16 (80%)	4 (20%)	3	1
10	75	149 ± 1	222 ± 16	17 (85%)	3 (15%)	0	3
11	58	109 ± 2	192 ± 25	18 (90%)	2 (10%)	0	2

Визуальный анализ пробы семян позволил выявить щуплые семена только в двух фракциях – с аэродинамическими свойствами 8 и 9 м/с. Во фракциях 10 и 11 м/с визуально щуплых семян не обнаружено.

Выводы. Результаты экспериментальных исследований биоэлектрических сигналов семян пшеницы показали, что их максимальные значения в совокупности с аэродинамическим свойством предоставляют дополнительную информацию о свойствах семян. В каждой фракции содержатся щуплые семена, которые визуально не определить. Предложенный метод способен обнаружить такие зерна.

Установлено, что с увеличением скорости воздушного потока сокращается количество щуплых семян во фракции. Так, с аэродинамическими свойствами 8 м/с щуплых семян во фракции было 35%, а во фракции 11 м/с – всего 10%.

Во фракциях 8 м/с и 9 м/с средние максимальные значения у выполненных зерен практически равны. Однако количество щуплых зерен во фракции 8 м/с почти в 2 раза превышает количество зерен во фракции 9 м/с. Кроме того, максимальный средний уровень сигнала во фракции 8 м/с достоверно выше, чем у зерен фракции 9 м/с.

В настоящем эксперименте оценка лабораторной всхожести семян пшеницы не является информативным показателем качества, поскольку семена не прошли послеуборочного дозревания, и для исследования использовалось всего по 20 семян из каждой фракции. Однако важно было сопоставить полученные в результате экспериментального исследования биоэлектрические сигналы семян пшеницы и результаты их лабораторной всхожести.

В результате оценки лабораторной всхожести было отмечено, что семена из фракции 9 м/с полностью проросли (100% нормально проросших семян), в том числе и щуплые семе- на. Однако во фракциях 8, 10, 11 м/с щуплые семена нельзя отнести к числу нормально проросших семян, лабораторная всхожесть в результате значительно ниже, чем у семян из фракции 9 м/с.

Полученные результаты могут быть использованы для диагностики качества посевного материала после очистительной линии. Метод позволяет определить наличие щуплых семян в исследуемой пробе. По итогам эксперимента планируется проведение практической проверки полученных результатов в сельскохозяйственном производстве.