Влияние спектра излучения светодиодных облучателей на рост и развитие различных сортов растений сои в условиях интенсивной светокультуры

Введение. Осуществление космических миссий длительного срока функционирования невозможно без создания биолого-технических систем жизнеобеспечения экипажа (БТСЖО), регенерирующих среду обитания человека за счет физико-химических и биологических процессов [1, 2]. Кроме регенерации воздушной среды и воды, биологический способ предполагает за счет культивирования высших растений и воспроизводство растительной части диеты человека. Реальное удовлетворение потребностей человека всеми продуктами растительного происхождения возможно только за счет многокомпонентного звена высших растений. Особый интерес представляет возможность включения растений сои в состав растительного звена БТСЖО, так как соя - одна из самых универсальных в применении сельскохозяйственных культур [3-5]. Зерно сои - высокоэффективный пищевой продукт: оно богато белком (36,7 %), незаменимыми аминокислотами и липидами (17,8 %) [6].

В состав белков зерна сои входит фермент уреаза, которая может быть использована для разложения мочевины, входящей в состав урины человека [7]. Такой источник уреазы не требует создания специальных запасов в БТСЖО и не подрывает уровень замкнутости круговоротных процессов.

Включение любого вида растений в состав растительного звена БТСЖО требует подбора условий выращивания, обеспечивающих, с одной стороны, получение максимальной продуктивности, с другой стороны, минимизацию энергетических затрат на их выращивание. Кроме того, необходимо, по возможности, унифицировать условия выращивания культур, входящих в состав БТСЖО. Поэтому применительно к БТСЖО особенно важен выбор источников излучения, обладающих высокой биологической эффективностью. Появление на рынке новых светодиодных облучателей, позволяющих гибко управлять спектральным потоком в различные фазы развития растений и имеющих более высокий энергетический КПД по преобразованию подводимой электрической мощности в световую энергию по сравнению с ранее используемыми источниками света, упрощает задачу такого выбора [8–13]. Известно, что спектральный состав света оказывает существенное влияние на продуктивность растений, анатомию, морфологию и физиологию растений [14–16]. Комбинирование синего и красного света в последнее время все более и более используется не только в научных исследованиях, но и в условиях искусственного земледелия [16]. В то же время показано, что комбинирование зеленого или белого света со спектром излучения синих и красных светодиодов положительно влияет на рост, развитие и качество съедобной биомассы ряда исследуемых культур [13, 17]. При этом фотобиологическая эффективность спектра в значительной степени зависит от видовых особенностей растений, фазы развития, структуры ценоза и условий выращивания [9, 14, 15, 18].

Цель исследования : сравнительная оценка продукционной деятельности нескольких сортов сои, выращенных под светодиодными облучателями с белым светом или с фитоспектром, применительно к БТСЖО.

Объекты и методика исследования. В качестве объектов исследования были выбраны растения сои культурной ( Glycine max L.) 10404-2 (Швеция, 2013), Светлая (Рязанский НИИСХ, 2013), ПЭП 27 (ВИР, Ленинградская обл., 2012), ПЭП 28 (ВИР, Ленинградская обл., 2012).

Растения выращивали при фотопериоде 16 ч света и 8 ч темноты, методом гидропоники на керамзите. В качестве питательного раствора использовали раствор «Кнопа» с добавлением цитрата железа и микроэлементов. Источниками света служили экспериментальные светодиодные облучатели с фитоспектром, имеющим максимум излучения в синей и красной областях спектра фотосинтетически активной радиации (ФАР), и светодиодные облучатели, вызывающие зрительное ощущение белого света (далее по тексту «белый свет»). На рисунке 1 показаны спектры излучения используемых светодиодных облучателей, измеренных с помощью оптоволоконного спектрометра AvaSpec-ULS2048L-USB2 (Нидерланды).

Интенсивность ФАР на уровне листьев верхнего яруса составила 690 ± 70 мкмоль/(м²·с) под светильником с фитоспектром и 620 ± 60 мкмоль/(м²·с) под светильником, излучение которого воспринимается глазом человека как «белый свет». Температуру воздуха в камере поддерживали на уровне 23–25 °С. Концентрация СО 2 была естественной (0,036 %).

Рис. 1. Белый свет (1) и фитоспектр (2) светодиодных излучателей

Плотность посева была 90 растений на 1 м2. Длительность вегетационного периода – 72 суток. В таблице и на графиках рисунка 2 пред- ставлены данные в виде средних арифметических значений ± ошибка средней арифметической из двух биологических повторностей. В каждой биологической повторности было по 6 растений. Достоверность различий между средними определяли по t-критерию Стьюдента при уровне значимости P < 0,05.

Высоту растений (от уровня посева до верхней точки стебля) и количество листьев определяли до достижения растениями возраста 35 суток. Содержание сырого протеина в семенах оценивали по содержанию азота с учетом перерасчетного коэффициента [19].

Активность уреазы в семенах растений сои определяли методом, основанным на учете количества аммиачного азота, образовавшегося в единицу времени при разложении мочевины под действием препарата фермента, выделенного из растений [19].

Результаты исследования и их обсуждение . Проведенные исследования показали, что спектральный состав света, вне зависимости от исследуемых сортов, оказал существенное влияние на высоту растений. К моменту перехода в фазу цветения и плодоношения высота растений, выращенных под облучателями белого света, оказалась достоверно ниже, чем у растений, выращенных под облучателями с фитоспектром (рис. 2).

Рис. 2. Высота растений сои разных сортов, выращенных под светодиодными облучателями с белым светом и облучателями с фитоспектром, в зависимости от возраста растений (на графиках представлены данные в виде средних арифметических значений)

При этом количество листьев на растениях, выращенных под белым светом, достоверно не отличалось от количества листьев у растений, выращенных под фитоспектром. Большая высота растений под фитоспектром связана с растяжением междоузлий.

На темпы развития растений спектр излучения значимого влияния не оказал: к 36-суточному возрасту от всходов все растения находились на стадии цветения и плодоношения.

Сырая масса растений сои сорта Светлая, выращенных под фитоспектром, достоверно не отличалась от сырой массы растений этого же сорта, выращенных под белым светом. Сырая масса растений остальных сортов, выращенных под фитоспектром, была достоверно ниже биомассы аналогичных сортов, выращенных под белым светом (рис. 3).

Рис. 3. Масса растений сои разных сортов, выращенных под светодиодными облучателями с белым светом и облучателями с фитоспектром (значения одного и того же показателя с разными буквами над колонками имеют достоверные отличия (критерий Стьюдента, P <  0,05))

В основном различия в сырой биомассе растений сортов Светлая, ПЭП 27 связаны с различной оводненностью надземных органов к моменту уборки растений, так как спектральный состав света не оказал достоверного влияния на сухую биомассу растений сои этих сортов. Только у растений сои сортов ПЭП 28 и 1040-4-2 при выращивании под белым светом наблюдалось достоверное увеличение не только сырой, но и сухой биомассы (рис. 3).

Сырая и сухая масса семян сорта Светлая и сухая масса семян сорта ПЭП 27 не зависели от спектра излучения светодиодных облучателей. Сырая и сухая масса семян сортов ПЭП 28 и 1040-4-2, выращенных под светодиодами с белым светом, были в 2,3 и 1,8 раза соответственно выше, чем под светодиодами с фитоспектром (рис. 4).

Самый низкий коэффициент хозяйственной годности Кхоз. (около 38 %), вне зависимости от спектра облучения, был у растений сои сорта

ПЭП 27. У растений сои остальных сортов Кхоз находился в пределах 47–50 %. При этом самый высокий Кхоз. (50,5 %) был у растений сои сорта 1040-4-2, выращенных под светодиодами с белым светом.

Спектральный состав света не оказал значимого влияния на содержание сырого протеина в семенах сои, за исключением сорта ПЭП 28, в семенах которого с белого света содержание сырого протеина оказалось на 23 % меньше, чем в семенах сои с фитоспектра (табл.).

Спектральный состав света не оказал достоверного влияния на активность уреазы семян сои трех сортов, и только активность уреазы в семенах сои сорта ПЭП 27, выращенных под белым светом, оказалась достоверно ниже, чем таковая в семенах сои, выращенных под фитоспектром (см. табл.). Вне зависимости от спектра облучения активность уреазы в семенах сортов Светлая и ПЭП 27 была выше, чем в семенах сои остальных исследованных сортов.

Рис. 4. Масса семян растений сои разных сортов, выращенных под светодиодными облучателями с белым светом и облучателями с фитоспектром (значения одного и того же показателя с разными буквами над колонками имеют достоверные отличия (критерий Стьюдента, P <  0,05))

Активность уреазы и содержание сырого протеина в семенах растений сои разных сортов, выращенных под светодиодными облучателями белого света и облучателями с фитоспектром

Сорт	Активность уреазы в семенах, мкг/г в мин		Сырой протеин, %
	Фитоспектр	Белый свет	Фитоспектр	Белый свет
Светлая	18,3±1,5a	20,7±1,8a	32,0±2,6a	31,1±2,5a
ПЭП 27	23,3±1,7a	15,5±1,6b	27,6±2,1ab	26,2±2,5ab
ПЭП 28	13,3±1,4b	12,9±1,0b	30,0±2,2a	23,1±2,0b
1040-4-2	13,8±1,1b	11,5±0,9b	30,1±2,3a	29,1±2,1ab

Примечание: значения одного и того же показателя с разными надстрочными буквами имеют достоверные отличия (критерий Стьюдента, P <  0,05).

Заключение. Как показало проведенное исследование, выращивание растений сои под светодиодными облучателями с фитоспектром с увеличенной долей излучения в красной области спектра и с отсутствием излучения в зеленой области привело к растяжению междоузлий без увеличения массы растений. Более того, выращивание растений сои под светодиодными облучателями с фитоспектром или не оказывало достоверного влияния на биомассу растений, или приводило к снижению как общей биомассы, так и семян по сравнению с растениями, выращенными под светодиодными облучателями с белым светом. Из сравнения продуктивности исследуемых сортов для включе- ния в состав БТСЖО предпочтение следует отдать сорту 1040-4-2 (Швеция, 2013), у которого наблюдалось лучшее соотношение массы семян, Кхоз. и содержания сырого протеина. Если оценивать растения и по активности уреазы, следует обратить внимание на растения сои сорта Светлая, которая показала несколько меньшую продуктивность, но в семенах которой активность уреазы была выше, чем в семенах сои сорта 1040-4-2 (Швеция, 2013). Вполне вероятно, что при выборе сорта сои из числа исследованных сортов для включения в состав растительного звена БТСЖО целесообразно использовать эти 2 сорта. В таком случае будут удовлетворены потребности человека как с це- лью получения ценного пищевого продукта, так и с целью непрерывного получения фермента уреазы для решения технологических проблем.

Тот факт, что оба эти сорта при выращивании на белом свету не снижают продуктивность, хорошо сочетаются с тем фактом, что при выборе спектра ФАР следует учитывать следующее: цветопередача и стабильность зрения человека лучше всего соответствуют белому свету. Поэтому такой выбор спектра для выращивания растений как в БТСЖО, так и в условиях интенсивной светокультуры удачно согласуется с решением проблемы цветопередачи в световой среде обитания человека. Применительно к БТСЖО в этой ситуации целесообразно в дальнейших экспериментах по выращиванию сои использовать светодиодные облучатели с близким к белому свету спектром излучения в области ФАР.