Действие спектрального состава излучения на содержание фотосинтетических пигментов у растений Lepidium sativum

АННОТАЦИЯ

В статье представлены результаты сравнительного анализа изменчивости содержания фотосинтетических пигментов у растений кресс-салата (Lepidium sativum), выращенного в условиях разного спектрального состава излучения.

ABSTRACT

The article presents the results of a comparative analysis of the variability of the content of photosynthetic pigments in garden cress plants (Lepidium sativum)  grown under conditions of different spectral composition of radiation.

Ключевые слова: кресс-салат, светодиодное освещение, светодиодные источники освещения.

Keywords:  garden cress, LED-lighting, LED lighting sources.

Введение. При производстве овощей и зеленных культур в условиях защищенного грунта огромное количество электроэнергии затрачивается на искусственное освещение.  Одним из главных путей снижения энергозатрат на дополнительное освещение растений, в настоящее время рассматривают плавный переход на современные энергоэффективные и долговечные светодиодные источники освещения [1, 4, 5, 8]. Однако темпы внедрения данных источников освещения в сферу растениеводства нельзя сравнить с тем, какими темпами они закрепляются в различных сферах нашей жизни: в сфере уличного, архитектурного, производственного, офисного освещения [4, 5, 8]. Это связано с наличием специфических реакцией разных растений на спектральный состав излучения, который может разительно отличаться у разных светодиодных источников освещения. Одним из показателей благоприятного действия излучения на растения является количественный состав и соотношение основных фотосинтетических пигментов, т.к. фотосинтетическая активность растений напрямую зависит от состояния фотосинтезирующего аппарата.

Кресс-салат – Lepidium sativum  (клоповник посевной) семейства крестоцветных однолетнее скороспелое травянистое растение, относится к зеленным культурам, неприхотлив  в  выращивании,  быстро  растет, не требует большого количества тепла, хорошо  переносит  заморозки.  В своем составе содержит сахара, аскорбиновую кислоту, каротин, белки, клетчатку, флавоноиды, жирные кислоты, аминокислоты, витамины группы В, PP, A, E, D, K, макро- и микроэлементы [2, 3, 6, 10].    Кресс-салат  употребляют  в  свежем виде, а также добавляют в холодные и горячие блюда, показана целесообразность  применения сухого порошка листьев кресс-салата при производстве хлеба в целях обогащения его химического состава [7].      

Постоянно растущие цены на электроэнергию, высокий спрос населения на свежую зелень в течение всего года, в связи  с растущей популярностью здорового питания доказывают актуальность изучения данного вопроса.

Целью работы было установление закономерностей изменчивости  количественного содержания фотосинтетических пигментов у растений кресс-салата при разном спектральном составе излучения, но одинаковой интенсивности фотосинтетического потока фотонов.

Материалы и методы исследований. В настоящей работе использовали один люминесцентный (вариант ЛЮМ, энергопотребление 75Вт) и два светодиодных источника освещения (варианты СД1 и СД2, энергопотребление 30 и 33 Вт соответственно), излучающих свет спектральных диапазонов видимого света (400 – 800 нм) с различным соотношением между ними (таблица 1). Замер спектральных характеристик источников освещения и плотности потока фотонов (ППФ) проводили с помощью портативного спектрометра PAR PG200N (производитель UPRtek, Тайвань). ППФ при всех вариантах освещения составлял 80 –90  мкмоль/м²⋅с.

Таблица 1.

Спектральные характеристики источников освещения

П р и м е ч а н и е. К – красный свет (600 – 699 нм); С – синий свет (400 – 499 нм); ДК – дальний красный свет (700 –750 нм); З – зеленый свет (500 –599 нм).

Анализ спектральных характеристик данных источников освещения позволил выявить некоторые закономерности. ППФ в диапазоне 400 – 499 нм (фиолетово-синий) трех вариантов освещения находился в пределах 19,3–25,7 %  от всего светового потока в области 400-799 нм, и не имел значительных различий между вариантами. Доля зелено-желтой области (500 –599 нм) спектра для  вариантов ЛЮМ и СД2 имела близкие значения – 26,6 и 21% соответственно, в то время как у варианта СД1 она практически отсутствовала. В оранжево-красном диапазоне спектра (600 – 699 нм) уровень ППФ был достаточно высоким для всех вариантов – 42,2-72,3% с максимальным значением для варианта СД2. Дальний красный свет (700 –750 нм) в  спектрах вариантов СД1 и СД2 практически отсутствовал, в то время как в у варианта ЛЮМ на его доля приходилось 10,5%. Наиболее близким к контрольному люминесцентному освещению по спектральным характеристикам был вариант СД2, существенные различия между ними можно отметить лишь в области дальнего красного света.

Посев семян кресс-салата сорта "Звычайная" производили по 100 шт. в емкости, заполненные увлажненным почвогрунтом. На 22 день после посева отбирали образцы листьев для экстракции фотосинтетических пигментов. Содержание пигментов определяли в лабораторных условиях в 4 аналитических повторностях по оптической плотности экстракта в 80% ацетоне [9] на спектрофотометре Metertech SP-8001. Общий математический анализ данных проводили с помощью пакета анализа данных МS Excel.

Результаты и обсуждение. Анализ количественного содержания пигментов выявил прямую зависимость содержания пигментов от доли синего и красного спектров излучения. Так, у варианта СД1 по сравнению с вариантом ЛЮМ содержание хлорофилла а было больше на 5,7% ,  хлорофилла b – на 44,6% (достоверно при P<0,05), каротиноидов – на 16,5 % за счет большей на 6,4 и 30,0% доли в спектре излучения синей и красной составляющей соответственно. Растения варианта СД2 по сравнению с вариантом ЛЮМ также содержали на 23,2, 10 и 27,8% больше хлорофилла а, b и каротиноидов соответственно, главным образом за счет большей на 15,4% доли красного света (таблица 1, 2). При этом, максимальное содержание хлорофилла b зафиксировано для СД1 (таблица 2), имеющего максимальную долю синего спектра среди всех вариантов освещения (таблица 1), т.к. удельный коэффициент поглощения данного пигмента максимален именно в синей области спектра, причем максимум поглощения данного пигмента совпадал со спектральным пиком излучения в данной области. Максимальное накопление хлорофилла а и каротиноидов отмеченное для варианта СД2 (таблица 2) можно объяснить не только большей долей красной области спектра (по сравнению с вариантом ЛЮМ), соответствием спектральных пиков излучения максимумам поглощения пигментов (как в СД1), но и наличием желто-зеленой и оранжевой области спектра (как в ЛЮМ).

Таблица 2.

Содержание фотосинтетических пигментов в листьях растений кресс-салата мг/г сырого веса

П р и м е ч а н и е: данные представлены как среднее арифметическое ± стандартная ошибка средней; НСР_0,05 – наименьшая существенная разница при Р<0,05; НСР_0,01 – наименьшая существенная разница при Р<0,01. Полужирным шрифтом выделены значения, достоверно отличающиеся от контроля.

Таким образом, для увеличения содержания фотосинтетических пигментов в растениях кресс-салата целесообразно подбирать спектр, имеющий спектральные пики соответствующие максимумам поглощения фотосинтетических пигментов, с наличием желто-зеленой и оранжевой области спектра, которая обладает высокой проникающей способностью к листьям нижнего яруса, тем самым повышая их фотосинтетическую активность. К тому же при использовании данных светодиодных источников освещения достигается экономия электроэнергии в 2,3-2,5 раза. 

Список литературы:

1. Морозов, В.Ю. Светодиоды для электродосвечивания в теплицах / В.Ю. Морозов // Гавриш – 2013. – №4. –  С. 34-39.
2. Орловская, Т.В. Изучение жирнокислотного состава липидов семян клоповника посевного / Т.В. Орловская, // Вестник Воронеж гос. ун-та. Cерия: Химия. Биология. Фармацuя. – 2006. –  № 2. –  C. 334–335.
3. Орловская Т.В. Изучение аминокислотного состава семян клоповника посевного.  Дальневосточный  медицинский журнал, 2006, № 2, сс. 73–74.
4. Прокофьев, Д.С. Перспективы использования светодиодных светильников в тепличных электротехнологиях / Д.С. Прокофьев, Д.А. Семенов // Вестник ВИЭСХ – 2012. – №3 (8). – С. 40-42.
5. Савкова, Т.Н. Современное состояние и перспективы развития осветительных устройств  на основе белых светодиодов / Т. Н. Савкова, А. И. Кравченко, Ю. Н. Колесник,  Г. И. Селиверстов // Вестник Гомел. гос. техн. Ун-та им. П.О. Сухого -  2020. – №3/4 (82-83). – С. 54-59.
6. Циунель, М.М. Кресс-салат / М.М Циунель // Гавриш – 2006. – №6. – C. 8-9.
7. Чижикова, О.Г.  Кресс-салат  и  мята  как  перспективное  сырье  для хлебобулочных  изделий / О.Г.  Чижикова  // Известия Дальневосточного  федерального  университета.  Экономика  и управление. – 2017. – № 1 (81). – С. 113-118. 
8. Юсупов, С. Создание эффективных светодиодных фитосветильников / С. Юсупов, М. Червинский, Е. Ильина // Полупроводниковая светотехника. – 2016. – № 6. – С. 56–64.
9. Lichtenthaler H.K., Wellburn A.R. Determinations of total carotenoids and chlorophylls a and b of leaf extracts in different solvents // Biochem. Soc. Trans. – 1983. –  V. 603. –  P. 591.
10. Solomon G, Aman D., Bachheti R. Fatty acids, metal composition, nutritional value and physicochemical parameters of Lepidium sativium seed oil collected from Ethiopia. International Food Research Journal. –  2016. –  Vol. 23 (2). – P. 827–831.