Изменчивость ростовых процессов ели европейской и сосны обыкновенной южной подзоны смешанных лесов под влиянием электромагнитного излучения оптического диапазона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 06.03.01, кандидат сельскохозяйственных наук Рыбкина, Светлана Владимировна

• Рыбкина, Светлана Владимировна
• кандидат сельскохозяйственных наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат сельскохозяйственных наук Рыбкина, Светлана Владимировна

Общая характеристика работы.

1 Воздействие оптического излучения на растительные объекты.

2 Объекты, программа и методика исследований.

2.1 Краткая характеристика естественно-исторических условий.

2.2 Программа исследований.

2.3 Методика исследований.

2.3.1 Определение оптических спектральных свойств семян и их спектральной чувствительности для обоснования доз обработки.!.

2.3.2 Источники оптического излучения, использованные в исследованиях.

2.3.3 Лабораторные и полевые исследования.

2.3.4 Цитогенетические методы исследования.

2.3.5 Статистический анализ полученной информации.

3 Определение оптимальных параметров оптического излучения для предпосевной обработки семян ели европейской и сосны t обыкновённой.

3.1 Оптические свойства и спектральная чувствительность семян.

3.2 Влияние экспозиционной дозы оптического излучения на всхожесть, энергию прорастания семян и длину корешков проростков ели европейской и сосны обыкновенной.

4 Действие оптического излучения на рост сеянцев.

4.1 Ель европейская.

4.2 Сосна обыкновенная.

5 Совместное действие излучения и химических стимуляторов на прорастание семян и рост сеянцев ели и сосны.

5.1 Лабораторные исследования.

5.2 Исследования ростовых процессов растений в условиях теплицы.

6 Воздействие излучения на митотическую активность клеток и хромосомные аберрации ели европейской.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Изменчивость ростовых процессов ели европейской и сосны обыкновенной южной подзоны смешанных лесов под влиянием электромагнитного излучения оптического диапазона»

Актуальность темы. Усиливающееся действие антропогенных нагрузок на экосистемы привело к осознанию необходимости сохранения биологических ресурсов Земли. На международной Конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро, 1992) принята «Конвенция о биологическом разнообразии». В РФ> основные положения Конвенции отражены в программе «Биологическое разнообразие лесов России» (1995) и в программе «Леса России» (1997). Успешной реализации программы способствует также Лесной кодекс Российской Федерации- (2006), где отмечается, что для воспроизводства лесов, должны-использоваться сортовые семена. Известны различные способы активации ростовых процессов семян и сеянцев > (химические и физические). К числу таких стимулирующих f факторов, которые основаны на природных механизмах, не причиняют вреда здоровью людей и не требуют больших затрат относятся, в частности, электромагнитные излучения оптического^ диапазона. Обработка ими семян сельскохозяйственных растений дает положительный результат, однако на лесных древесных видах эффект практически не изучен. Поэтому весьма перспективным было исследование эффекта предпосевной обработки семян ели европейской и сосны обыкновенной излучениями^ оптического диапазона. Это позволит сократить расход—семян;—- получить стимулированный посадочный'материал, а в будущем и высокопродуктивные древостой. В настоящее время перспективно применение стимулированных растений при облесении неиспользуемых земель.

Цель исследования — изучить изменчивость ростовых процессов ели европейской и сосны обыкновенной в условиях южной подзоны смешанных лесов после воздействия на семена электромагнитного излучения* оптического диапазона и показать пути использования ее при выращивании посадочного материала.

Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:

1 Исследовать спектральные коэффициенты поглощения и отражения семян ели и сосны.

2 Проанализировать действие различных экспозиционных доз (Н, Дж/м2) оптического излучения на посевные качества семян и рост посадочного материала.

3 Изучить влияние излучения на митотическукь активность (митотический индекс - МИ), появление патологических митозов (ПМ), продолжительность отдельных фаз митоза, а также наличие хромосомных аберраций в корешках проростков1 ели.

4 Проверить перспективы совместного применения оптического излучения и химических стимуляторов роста.

Объекты и объем исследования. Эксперименты (всего 250 вариантов) проводились в 2002.2007гг. в лаборатории и полевых условиях. Энергия прорастания и всхожесть ^ определены у 24 000 семян ели ' и сосны, зависимость роста корешков проростков от Н (Дж/м ) - более'чем на 3 000 t корешков - проростков ели> и около 4500 - сосны, спектральная чувствительность примерно на 5 000 семенах ели и сосны, зависимость высоты и длины главного корня от Н (Дж/м ) более чем на 10 000'сеянцах ели и сосны. Совместное действие излучения и химических стимуляторов испытано более чем на 2900 корешках проростков ели и около 3 000 - сосны, в полевых условиях - более чем на 4800 сеянцах. Приготовлено и проанализировано под микроскопом^ МБИ-6 270 цитологических образцов. Все количественные показатели обработаны с использованием? методов математической статистики.

Научная новизна. Впервые установлены спектральные коэф. отражения семян ели и сосны: в УФ области (X = до 380 нм) доля отраженного потока излучения (коэф. отражения) составляет 10%, полоса минимума отражения находится на X = до 540 нм. После этого коэф. отражения начинает медленно увеличиваться, что продолжается и в ИК области. При X = 850 нм доля отражённого излучения семян составляет около трети. Для ели и сосны закономерности практически не отличаются, и только в длинноволновой области различие достигает 5%. Следовательно, эффективнее облучать семена в диапазоне минимума отражения, но максимума поглощения (А, < 540 нм).

В питомнике самый высокий стимулирующий эффект роста сеянцев-однолеток ели в высоту (30,3%) и главного корня'в, длину (8,8%) проявился при Н= 18,75 Дж/м (t=15 с): При этой же дозе стимуляция роста в сеянцев в> высоту (16,3%) и главного, корня- в, длину (10,0%) прослеживается и на второй год. о

Излучение (Н = 18;75 Дж/м w t = 15с)- совместно с фумаром, крезацином, парааминобензойной каслотой(ПАБК)*вызывает существенный прирост в длину корешков проростков ели: в опыте с фумаром (конц. 0,0001 мл/л) - до47,4%, с крезацином (конц. 0;01 г/л) - до43,6%, с ПАБК (конц. 0,1 f г/л) - до 24,2%; в высоту сеянцев — однолеток ели в условиях теплицы: в опыте с фумаром»- до 34,1%, с крезацином - до 30,4%, с ПАБК - до 38,5%; л в длину главногог корня сеянцев - однолеток ели в опыте с фумаром - до1 40,2%, с крезацином - до 32,5%, с ПАБК - до 27,8%, т.е. излучение + химические стимуляторы дают больший * эффект, чем при обработке одним излучением.

В условиях питомника активация роста сеянцев - однолеток сосны в высоту (до 19,3%) и главного корня в длину (до 17,4%) отмечена при Н = О

26,8' Дж/м (t = 40с), сеянцев - двухлеток в высоту - до 9, 3%, в длину главного корня - до 14,0%; совместно с химическими стимуляторами длины корешков проростков: вопыте с фумаром*(конц. 0,00001 мл/л) — до 33,4%, с крезацином (конц. 0,01 г/л) - до 32,2%, с ПАБК (конц. 0,1 г/л) - до 29,5%; высоты сеянцев - однолеток сосны в теплице: в опыте с фумаром - до 23,1%, с крезацином - до 20,8%, с ПАБК - до 32,6%; длины главного корня сеянцев - однолеток в опыте с фумаром - до 22,0%, с крезацином - до 36,1%, с

ПАБК — до 32,5%, т.е. излучение + химические стимуляторы, дают больший эффект, чем при обработке одним излучением.

Во всех вариантах опыта, где отмечена активация ростовых процессов, наблюдается самая низкая вариабельность признаков (V,%), т.е. под влиянием стимулирующих доз происходит выравнивание- популяции, что будет способствовать увеличению5количества стимулированных сеянцев.

Излучение не ослабило, а в отдельных вариантах даже увеличило МИ1 клеток корешков проростков-ели, уменьшило количество ПМ, по-видимому, за счет активации репарационных систем, но нарушило продолжительность отдельных фаз митоза; не увеличило- количество анафаз с мостами^ и фрагментами, но изменило количество анафаз с другими* хромосомными аномалиями-. В * последующих клеточных поколениях возможно дальнейшее уменьшение количества ПМ;за счет элиминации, аномальных клеток, что так же будет способствовать,активации ростовых процессов:

Практическая^ ценность. Полученные результаты, внедрены, в трех лесхозах Смоленской области - Смоленском, Вяземском, Ярцевском. Зарегистрирован объект интеллектуальной собственности — Методические рекомендации «Предпосевная обработка семян древесных растений» в Российском авторском обществе (запись в-Реестре №8107 от 18.01.2005). Получен патент РФ в Федеральной службе по"" интеллекту^ьнои собственности, патентам и товарным знакам (Роспатент) на, изобретение № 2308180 «Способ предпосевной обработки семян ели европейской» (зарегистрирован 20.10.2007 г.).- Установлена'перспективность передачи-прав на патент путём заключения^ лицензионных договоров (в. частности, неисключительное лицензирование).

Достоверность и обоснованность выводов* № рекомендаций основывается на 5-летних исследованиях автора' в лаборатории и полевых условиях, использовании разнообразных методов исследования и современных компьютерных технологий статистического анализа.

На защиту выносятся следующие положения.

1 В УФ области (Л, = до 380 нм) доля отраженного потока излучения (коэф. отражения) семян ели и сосны составляет 10%, полоса минимума отражения находится на X = до 540 нм: После этого коэф. отражения медленно увеличивается' в РЖ области. При X = 850 нм доля отражённого излучения семян составляет около трети. Только-в длинноволновой области различие для сосны и ели достигает 5%. Следовательно,1 эффективнее облучать семена в диапазоне минимума отражения, т. е. максимума поглощения = Х< 540 нм.

2 В питомнике самый высокий стимулирующий эффект роста сеянцев-однолеток ели в высоту ( 30^3%) и главного корня в длину (8,8%) проявился* прИ'Н= 18,75 Дж/м (t=15 с): стимуляциям высоту (16,3%) и главного корня в длину (10,0%) прослеживается и на второй год.

3 Излучение (Н = 18,75 Дж/м и t = 15с) совместно с фумаром, крезацином, ПАБК вызывает существенный прирост в длину корешков проростков ели: в опыте с фумаром-^ (конц. 0,0001 мл/л) - до* 17,4%, с крезацином'(конц. 0,01 г/л) - до 43,6%, с ПАБК (конц: 0,1 г/л) - до>24,2%; в I высоту сеянцев - однолеток ели в^теплице: в опыте с фумаром - до-34,1%, с крезацином - до 30,4%, с ПАБК - до 38,5%; в, длину главного корня сеянцев в опыте с фумаром - до 40,2%, с крезацином — до 32,5%, сПАБК -до 27,8%, т.е. излучение + химические стимуляторы дают больший эффект роста, чем при обработке одним излучением.

4 В" питомнике активированный рост сеянцев — однолеток сосны в высоту (до 19,3%) и главного корня в длину (до 17,4%) отмечен при Н"= 26,8 Дж/м2 (t = 40с), сеянцев - двухлеток- в высоту — до 91, 3%, длину главного корня-до 14,0%.

5 Излучение (Н = 26,8 Дж/м и t = 40с)- совместно с фумаром, крезацином, ПАБК существенно увеличивает прирост в длину корешков проростков сосны: в опыте с фумаром (конц. 0,00001 мл/л) — до 33,4%, с крезацином (конц. 0,01 г/л) - до 32,2%, с ПАБК (конц. 0,1 г/л) - до 29,5%; в высоту сеянцев - однолеток в теплице: в опыте с фумаром - до 23,1%, с крезацином — до 20,8%, с ПАБК - до 32,6%; в длину главного корня сеянцев — однолеток в опыте с фумаром — до- 22,0%,. с крезацином — до 36^ 1 %, с ПАБК — до 32,5%, т. е. излучение + химическое стимулирование вызывает больший эффект, чем при обработке однимизлучением.

6 Во всех вариантах опыта, где отмечена активация ростовых процессов, наблюдается; самая низкая вариабельность признаков: (V,%), т.е. под влиянием стимулирующих доз происходит выравнивание; популяции, что будет способствовать увеличению количества активированных сеянцев;

7 Излучение не ослабило, а в отдельных вариантах даже увеличило МИ клеток корешков* проростков, ели; уменьшило количество ПМ- по-видимому, за счет активации репарационных систем, но нарушило продолжительность отдельных фаз митоза; не увеличило- количество' анафаз; с мостами и фрагментами; но изменило количество анафаз- с другими- хромосомными:; нарушениями. В последующих клеточных: поколениях возможно дальнейшее . . ^ уменьшение количества ПМ за счет элиминации аномальных клеток, что так: же будет способствовать активации ростовых процессов.

Апробация работы; Публикации; Результаты исследования докладывались- на междунар. науч.-практич. конф: «Экология1; и жизнь» (Пенза,. 2005), междунар. науч.-производст. конф;. «Брянщина - родина ■ отечественного' и~ мирового1 высшего ^лесного" образования» (Брянск,' 2005); "" конкурсе молодых ученых (Смоленск, 2005); Зарегистрирован объект интеллектуальной: собственности — Методические рекомендации «Предпосевная обработка семян, древесных растений» в Российском: авторском обществе (запись в Реестре №8107 от 18.01.2005). Получен патент РФ; в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам (Роспатент), на изобретение № 2308180 «Способ предпосевной обработки семян ели европейской» (зарегистрирован 20.10.2007 г.). Опубликована брошюра: (46 с. в соавторстве) «Применение оптического излучения в качестве стимулятора роста древесных растений» (Смоленск, 2005). Всего по теме опубликовано 12 работ, в т.ч. 2 статьи в журнале «Лесное хозяйство», 1 - в «Лесном журнале», 1 - в журнале «Лесоведение» (принято к печати).

Личный вклад автора. Исследования выполнены при личном участии автора на всех этапах: разработке программы и методики, постановке экспериментов, анализе экспериментальных материалов, обосновании выводов, подготовке текста диссертации, научных статей и докладов, в том числе и в соавторстве.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 140 с. текста, включает общую характеристику работы, 6 глав, выводы, список использованных источников из 261 наименования, в т.ч. 23 - иностранных авторов, 40 с. приложений. Текст иллюстрируют 39 таблиц и 22 рисунка.

Заключение диссертации по теме «Лесные культуры, селекция, семеноводство», Рыбкина, Светлана Владимировна

1 Анализ измерений спектральных коэффициентов отражения семян ели и сосны показывает, что в УФ области (X до 380 нм) доля отраженного потока излучения (коэф. отражения) составляет 10%, и полоса минимума отражения находится на А, до 540 нм. После этого коэффициент отражения начинает медленно увеличиваться, и это увеличение продолжается и в ИК области. При X = 850 нм доля отражённого излучения семян составляет около трети. Для ели и сосны закономерности практически не отличаются, и только в длинноволновой области различие достигает 5%. Следовательно, энергетически эффективнее облучать семена в диапазоне минимума отражения, т. е. максимума поглощения = Х< 540 нм.2 В питомнике самый высокий стимулирующий эффект роста сеянцев однолеток ели в высоту ( 30,3%) и главного корня в длину (8,8%) проявился при Н= 18,75 Дж/м (t=15 с). При этой же дозе стимуляция роста в сеянцев в высоту (16,3%) и главного корня в длину (10,0%) прослеживается и на второй год.3 Применение оптического излучения (Н = 18,75 Дж/м и t = 15 с) совместно с химическими стимуляторами (фумар, крезацин, ПАБК) вызывает существенный прирост в длину корешков проростков ели: в опыте с фумаром (конц. 0,0001 мл/л) - до 17,4%, с крезацином (конц. 0,01 г/л) - до 43,6%, с ПАБК (конц. 0,1 г/л) - до 24,2%; рост в высоту сеянцев - однолеток ели в условиях теплицы: в опыте с фумаром (конц. 0,0001 мл/л) - до 34,1%, с крезацином (конц. 0,01 г/л) - до 30,4%, с ПАБК (конц. 0,1 г/л) - до 38,5%; рост в длину главного корня сеянцев - однолеток в опыте с фумаром (конц.0,001 мл/л) - до 40,2%о, с крезацином (конц. 0,01 г/л) - до 32,5%, с ПАБК (конц. 0,01 г/л)-до 27,8%.Во всех вариантах совместного применения оптического излучения и химического стимулирования получено большее превышение показателей, чем при обработке одним излучением.4 В условиях питомника активированный рост сеянцев — однолеток сосны в высоту (до 19,3%) и главного корня в длину (до 17,4%) отмечен при Н = 26,8 Дж/м (t = 40с), сеянцев - двухлеток в высоту - до 9, 3%, длину главного корня - до 14,0%.5 Применение оптического излучения (Н = 26,8 Дж/м2 и t = 40с) совместно с химическими стимуляторами (фумар, крезацин, ПАБК) вызывает существенный прирост в длину корешков проростков сосны: в опыте с фумаром (конц. 0,00001 мл/л) — до 33,4%, с крезацином (конц. 0,01 г/л) - до

32,2%, с ПАБК (конц. 0,1 г/л) - до 29,5%; рост в высоту сеянцев - однолеток сосны в условиях теплицы: в опыте с фумаром (конц. 0,00001 мл/л) - до

23,1%, с крезацином (конц. 0,01 г/л) - до 20,8%, с ПАБК (конц. 0,01 г/л) - до

32,6%; рост в длину главного корня сеянцев - однолеток в опыте с фумаром (конц. 0,00001 мл/л) - до 22,0%, с крезацином (конц. 0,01 г/л) - до 36,1%, с ПАБК (конц. 0,01 г/л) - до 32,5%.Во всех вариантах совместного применения оптического излучения и химического стимулирования получено большее превышение показателей, чем при обработке одним излучением.6 Во всех вариантах опыта, где отмечена активация ростовых процессов, наблюдается самая низкая вариабельность признаков (V,%), т.е.под влиянием стимулирующих доз происходит выравнивание популяции, что может привести к увеличению количества стимулированных сеянцев.7 Электромагнитное излучение оптического диапазона не ослабило, а в отдельных вариантах даже усилило митотическую активность меристематических клеток корешков проростков ели, уменьшило количество патологических митозов , по-видимому, за счет активации репарационных систем, но нарушило продолжительность отдельных фаз митоза; не увеличило количество анафаз с мостами и фрагментами, но изменило количество анафаз с другими хромосомными нарушениями. В последующих клеточных поколениях возможно дальнейшее уменьшение количества патологических митозов за счет элиминации аномальных клеток, что так же будет способствовать активации ростовых процессов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат сельскохозяйственных наук Рыбкина, Светлана Владимировна, 2008 год

3. Смоленск, 1999. 232-234.

4. Разд.2. 230-232. 44 Гордеев, Ю.А. Применение плазменных технологий в сельском хозяйстве Ю.А. Гордеев Проблемы аграрной отрасли в начале XXI века: материалы междунар. науч.-практич. конф. Смоленск: Смядынь, 2002. Ч.З. 136-138. 45 Гордеев, Ю.А. Эффективность плазменной обработки семян огурца в условиях закрытого грунта Ю.А. Гордеев, А. Козлов Проблемы сельскохозяйственного производства в изменяющихся экономических и экологических условиях. 4.

5. Смоленск, 1999. 266-268. 46 ГОСТ 13056.6-

6. Семена деревьев и кустарников. Метод определения всхожести. М.: Изд-во стандартов, 1997. 12. 47 Готовский, Ю.В. Особенности биологического действия физических факторов малых и сверхмалых интенсивностей и доз Ю.В. Готовский, Ю.Ф. Перов. М.: Имедис, 2000. 192 с.

7. Jena. 1964. 260 Weaver, E. EPR studies of free radicals in photosynthetic systems E. Weaver Annual Rev. Plant Physiol. Vol.

8. Palo Alto, Annual Revs Inc., 283. 1968. 261 Wojcik, S. Effects of seed irradiation with laser on the yield and chemical composition of sugar beet roots S. Wojcik Intern. Agrophysics. 1994. Vol. 8,№3.-P. 539-542.