В статье представлены данные о прорастании семян Echinacea purpurea сорт «Ливадия» в результате влияния физических факторов. Семенной материал предварительно подвергался криогенному хранению в течение суток, затем семена подвергались лазерному облучению и воздействию магнитных полей в течение определенного времени, а также в эксперименте был применен метод барботирования.
В результате проведенных исследований было установлено, что семена, испытывающие воздействие магнитных полей, сохраняют свою жизнеспособность, но не наблюдается улучшения показателей прорастания по сравнению с контрольной группой. Положительная динамика в прорастании семян и прохождении фаз онтогенеза наблюдалась в вариантах опыта с предварительным криогенным хранением семян и последующим барботированием в течение суток, показатели всхожести оказались сравнимыми с контрольными значениями. Семенной материал, облученный He-Ne лазерным лучом, продемонстрировал снижение показателей прорастания по сравнению с контрольной группой.
Введение
Изучение влияния физических факторов на биологию прорастания видов растений, имеющих лекарственное значение, на сегодняшний день имеет важное практическое и теоретическое значение. Так как лекарственные растения необходимы для обеспечения запасами фармацевтической промышленности Казахстана лекарственным растительным сырьем.
Согласно литературным данным, физические факторы положительно влияют на прорастание семенного материала различных сельскохозяйственных и лекарственных культур. Одним из физических факторов, влияющих на жизнедеятельность растений, является лазерное излучение, которое, в свою очередь, в настоящее время является малоизученным фактором. Но при этом научно доказано, положительное влияние ионизирующего излучения на рост и развитие проростков семян. При облучении семян наблюдается снижение фунгицидной и бактериальной активности, а также улучшение показателей биологической продуктивности видов. В клетках эндосперма и зародыша семян при их лазерной обработке происходит процесс поглощения излучения и наблюдается его вторичное излучение, за счет чего обеспечивается между семенами энергообмен. Лазерное излучение обладает такими свойствами, как монохроматичность. Поглощение ионизирующего излучения производится определенными компонентами семенной кожуры, зародышем и эндоспермом, что способствует запуску биохимических процессов, стимулирующих рост и развитие.
Одним из эффективных методов, позволяющих получить лучшую всхожесть семян, в частности, туговсхожих, является барботирование. Показатели прорастания семян улучшаются за счет повышения проницаемости защитного слоя семенной оболочки и вымывания пузырьками воздуха инфекционных агентов, выводит зародыш семени из состояния покоя, в результате чего наблюдается ускорение фаз онтогенеза. Обработка семян осуществляется в воде, насыщенной кислородом, с использованием компрессора, в течение суток. Преимущества барботирования заключаются в следующем: сокращение времени прорастания, более дружное прорастание семенного материала, активизируется рост проростков, возможность получения более ранних урожаев.
Другим физическим фактором, влияющим на прорастание семян, является магнитное поле. Под его влиянием в растении индуцируются процессы жизнедеятельности растительного организма. В научном сообществе доказано положительное влияние воздействия магнитного поля на прорастание семян различных культур.
Следует отметить, что в Казахстане произрастает порядка 500 видов лекарственных растений, однако многие из них находятся под угрозой исчезновения [1–4]. Учитывая глобальный характер проблемы, необходимо задействование научных подходов сохранения растительных ресурсов, например, таких как криоконсервация семян при температуре жидкого азота [5, 6].
В настоящее время мало изучено влияние физических факторов на прорастание семенного материала лекарственных растений. Лекарственные растения являются ценным биологическим материалом, так как активно используются в фармацевтической промышленности, а также в традиционной и народной медицине. Одним из таких растений является Echinacea purpurea, обладающая иммуномодулирующим, противовирусным, противовоспалительным и противоопухолевым действием [7].
Материалы и методы исследования
Объектом для исследований являлся семенной материал Echinacea purpurea сорт «Ливадия» из семейства Asteraceae. Сорт Ливадия — травянистое многолетнее засухоустойчивое и зимостойкое растение, достигающее в высоту до 100 см, с достаточно крупными пурпурно-розовыми цветками диаметром 7,0–7,5 см.
Была произведена постановка опытов по изучению влияния физических факторов на показатели прорастания семенного материала исследуемого вида. Барботирование семян осуществлялось в тканевых мешочках в мерном пластиковом цилиндре объемом в 1000 мл с погруженным в него компрессором. Два варианта опыта по барботированию было заложено: с предварительным хранением семян в сосуде Дьюара в парах жидкого азота в течение суток и последующим процессом барботирования продолжительностью 24 ч; барботирование семян осуществлялось в тканевых мешочках в течение суток.
Было исследовано влияние магнитных полей на всхожесть семян Echinacea purpurea сорт «Ливадия». Семена в пластиковых пробирках были размещены в установку, снабженную магнитами на 1 и 3 суток. В данной установке семенной материал подвергался воздействию постоянного одинарного и двойного магнитного поля. Также были проведены две вариации опытов: с предварительной криоконсервацией семян и без нее.
Изучено влияние лазерного излучения на прорастание семян исследуемого вида. Семена облучались гелий-неоновым лазером с длиной волны 632,8 нм интенсивностью 5 мВт/см2 в течение 30 с, 1, 2 и 4 мин. Также семена были предварительно погружены в сжиженный азот на одни сутки, затем подвергнуты облучению.
Замораживание семенного материала производили в пластиковых криопробирках с погружением в жидкий азот в сосуд Дьюара на одни сутки. Размораживали при комнатной температуре +22 °С, +24 °С [8].
Посев семян производился сразу после проведенных экспериментов. В лабораторных условиях семенной материал проращивали в чашках Петри в 4-кратной повторности на 2-х слоях фильтровальной бумаги, смоченной дистиллированной водой. Семена предварительно дезинфицировали 0,5 % KMnO4. Чашки Петри с семенным материалом помещали в климатическую камеру при температуре +24 оС. Для экспериментов специально семена не отбирали, отбраковывали только поврежденные, с измененной окраской или пустые.
Исследование показателей всхожести и энергии прорастания семенного материала производили по методическим указаниям М.С. Зориной и С.П. Кабанова [9], М.В. Мальцевой [10]. Наблюдение за ростом и развитием проростков проводили в течение 14–18 дней. Статистическую обработку результатов вели по методике Н.Л. Удольской [11] и использованием сайта www.medstatistic.ru [12].
Результаты и их обсуждение
Проанализировав проведенные исследованию по изучению влияния магнитных полей на всхожесть семенного материала Echinacea purpurea сорта «Ливадия» было установлено, что семена, подвергнутые воздействию двойного магнитного поля в течение суток, продемонстрировали лучшую всхожесть — 80,0±0 %. Всхожесть в контроле составила 90,0±4,71 %. Без предварительного хранения семенного материала лучшую всхожесть продемонстрировали семена, подвергшиеся воздействию двойного магнитного поля в течение суток — 80,0±0 %. По сравнению с контрольными значениями показатели прорастания снизились в среднем на 11,5 %. В вариантах опыта с предварительным хранением семян в парах жидкого азота и последующим влиянием магнитного поля, лучшая всхожесть наблюдалась у семян с 3-суточным воздействием одинарного магнитного поля — 75,25±3,5 % (табл. 1).
Таблица 1
Влияние магнитных полей на жизнеспособность семян Echinacea purpurea сорта «Ливадия»
Показатели роста |
Контроль |
Без криоконсервации |
С криоконсервацией |
||||||
одинарное поле |
двойное поле |
одинарное поле |
двойное поле |
||||||
1 сутки |
3 суток |
1 сутки |
3 суток |
1 сутки |
3 суток |
1 сутки |
3 суток |
||
Энергия прорастания, % |
77,0±0 |
62,5±9,86 |
50,0±20,0 |
75,0±5,77 |
65,0±5,77 |
75,0±11,06 |
69,25±0,55 |
75,0±14,53 |
60,5±6,35 |
Всхожесть, % |
90,0±4,71 |
65,0±11,06 |
55,0±17,3 |
80,0±0 |
65,0±5,77 |
75,0±11,06 |
75,25±3,5 |
75,0±14,53 |
60,5±6,35 |
Проанализировав полученные данные, было установлено, что семена, испытывающие воздействие магнитного поля, сохраняют свою жизнеспособность, но не наблюдается улучшения показателей прорастания по сравнению с контрольной группой. Тем не менее наилучшую всхожесть продемонстрировали семена без предварительного погружения в пары жидкого азота и подвергшиеся влиянию постоянного двойного магнитного поля в течение суток. Энергия прорастания составила 65,0±5,77 %, всхожесть — 80,0±0 %.
Проведя анализ динамики прорастания семенного материала исследуемого вида, было установлено, что в контрольной группе семена начинают прорастать на 4-й день после посева, всхожесть составила 6,0±4,0 %. Семена, которые были подвергнуты воздействию двойного и одинарного магнитного поля в течение 3 суток без предварительной криоконсервации, продемонстрировали всхожесть на 4-е сутки. Причем всхожесть семян после воздействия одинарного магнитного поля выше, чем при воздействии двойного. На 5-е сутки начали прорастать семена без предварительного криогенного хранения, подвергнутые воздействию одинарного и двойного магнитного поля в течение суток, а также после предварительной криоконсервации и последующего воздействия в течение 3 суток одинарным и двойным магнитными полями. На 6-е сутки начали прорастать семена, предварительно погруженные на сутки в сжижженный азот и оказавшиеся под влиянием двойного и одинарного магнитных полей в течение суток. Дружное прорастание семенного материала наблюдается в контрольной группе — 87,5±2,89 %; 75,0 % всхожести характерно для следующих вариантов опыта: без предварительной криоконсервации и воздействием двойного магнитного поля в течение суток, с предварительным криогенным хранением и последующим воздействием одинарного и двойного магнитных полей (табл. 2).
Таблица 2
Динамика прорастания семян Echinacea purpurea сорта «Ливадия»
Дни прорас- тания |
Контроль |
Всхожесть, % |
|||||||
без криоконсервации |
с криоконсервацией |
||||||||
одинарное поле |
двойное поле |
одинарное поле |
двойное поле |
||||||
1 сутки |
3 суток |
1 сутки |
3 суток |
1 сутки |
3 суток |
1 сутки |
3 суток |
||
1 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
2 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
3 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
4 |
6,0±4,0 |
– |
15,0±11,06 |
– |
5,0±5,77 |
– |
– |
– |
– |
5 |
59,25±0,87 |
10,0±6,67 |
27,5±11,9 |
15,0±11,06 |
21,0±13,55 |
– |
5,0±3,33 |
– |
15,0±3,33 |
6 |
59,25±0,87 |
30,0±11,75 |
27,5±11,9 |
50,0±14,91 |
21,0±13,55 |
25,0±14,53 |
35,0±10,34 |
52,5±17,24 |
20,0±0 |
7 |
59,25±0,87 |
30,0±11,75 |
34,5±16,34 |
55,0±11,06 |
21,0±13,55 |
70,0±14,91 |
50,25±0,29 |
70,0±20,0 |
25,0±3,33 |
8 |
77,0±0 |
50,0±14,91 |
35,0±16,67 |
75,0±5,77 |
22,5±15,18 |
70,0±14,91 |
65,0±2,75 |
70,0±20,0 |
50,25±0,73 |
9 |
87,5±2,89 |
62,5±9,86 |
50,0±20 |
75,0±5,77 |
60,0±9,43 |
75,0±11,06 |
65,0±2,75 |
70,0±20,0 |
50,25±0,73 |
10 |
90,0±4,71 |
62,5±9,86 |
50,0±20 |
75,0±5,77 |
65,0±5,77 |
75,0±11,06 |
69,25±0,55 |
70,0±20,0 |
60,0±6,04 |
Таким образом, изучив влияние магнитных полей на всхожесть семенного материала Echinacea purpurea сорта «Ливадия», было установлено, что семена в достаточной мере сохраняют жизнеспособность, но, по сравнению с контрольной группой, эти значения ниже. Что же касается прохождения фаз онтогенеза, они не отличимые от контрольной группы, в некоторых вариантах опыта наблюдалась задержка прорастания семени на 1–2 суток. Не рекомендуется использовать данный метод при хранении в парах жидкого азота, а также он не показал улучшения показателей прорастания семян, так как всхожесть значительно снижается, что обусловлено негативным влиянием на прорастание семени и на развитие проростка.
Проведя серию опытов по изучению влияния процесса барботирования на показатели прорастания семенного материала исследуемого вида, была установлена положительная динамика в прорастании семян и прохождении фаз онтогенеза. Всхожесть семян при барботировании составила 83,0±3,92 %, что ниже контрольных значений на 7 %, а в варианте опыта с предварительной криоконсервацией и последующим барботированием в течение суток показатели прорастания составили 89,25±8,99 % (табл. 3).
Таблица 3
Показатели прорастания семян Echinacea purpurea сорта «Ливадия» после барботирования
Вариант опыта |
Энергия прорастания, % |
Всхожесть, % |
Контроль |
77,0±0 |
90,0±4,71 |
Барботирование |
73,0±9,30 |
83,0±3,92 |
Криоконсервация + барботирование |
70,25±7,89 |
89,25±8,99 |
Изучив динамику прорастания семян исследуемого вида, было определено, что семена быстрее начинают прорастать после хранения в парах жидкого азота в течение суток и последующего барботирования. Наклевывание семени наблюдалось на 2-е сутки. В контрольной группе семена начали прорастать позднее 2-х суток. В вариантах опыта с барботированием без предварительного хранения в парах жидкого азота семена проросли только лишь на 5-е сутки (табл. 4).
Таблица 4
Динамика прорастания семенного материала Echinacea purpurea сорта «Ливадия» после барботирования
Дни прорастания |
Барботирование |
Криоконсервация+барботирование |
Контроль |
1 |
– |
– |
– |
2 |
– |
20,75±14,4 |
– |
3 |
– |
20,75±14,4 |
– |
4 |
– |
70,25±7,89 |
6,0±4,0 |
5 |
51,5±11,25 |
70,25±7,89 |
59,25±0,87 |
6 |
51,75±11,43 |
70,25±7,89 |
59,25±0,87 |
7 |
62,5±5,09 |
83,25±7,78 |
59,25±0,87 |
8 |
70,0±7,82 |
89,25±8,99 |
77,0±0 |
9 |
73,0±9,3 |
89,25±8,99 |
87,5±2,89 |
10 |
78,0±5,85 |
89,25±8,99 |
90,0±4,71 |
В варианте опыта с криоконсервацией и последующим барботированием исследуемые семена продемонстрировали лучшее прохождение фаз онтогенеза в среднем на 1–2-е сутки, по сравнению с другими вариантами опыта, что связано с положительным воздействием экстремально низких температур и последующим насыщением семенной кожуры пузырьками воздуха.
Таким образом, для ускорения фаз развития проростка и прорастания семян рекомендуется применять барботирование семян, но предварительно необходимо их хранить в парах жидкого азота.
В лабораторных исследованиях было изучено влияние лазерного облучения на проростание семени и динамику прохождения проростком этапов развития. Семена Echinacea purpurea сорта «Ливадия» облучались He-Ne лазером в течение от 30 с до 4 мин. Показатели прорастания сравнивали с контрольной группой проростков. По истечении наблюдения за прорастанием семени и развитием проростка лазерная биостимуляция показала, что наилучшим временем воздействия для всхожести семян является 1 мин. Всхожесть в данном варианте опыта составила 80,5 %, что ниже контрольных значений на 9,5 %, энергия прорастания оказалась ниже на 22 % (табл. 5)
Таблица 5
Влияние лазерного облучения на показатели прорастания Echinacea purpurea сорта «Ливадия»
Показатели роста |
Контроль |
Без криоконсервации |
С криоконсервацией |
||||||
30 с |
1 мин |
2 мин |
4 мин |
30 с |
1 мин |
2 мин |
4 мин |
||
Энергия прорастания, % |
77,0±0 |
45,0±10 |
55,0±10 |
50,0±0 |
55,0±3,33 |
55,0±5,77 |
65,0±3,33 |
60,0±13,33 |
50,0±0 |
Всхожесть, % |
90,0±4,71 |
70,0±6,67 |
80,5±13 |
70,0±0 |
70,0±0 |
60,0±9,43 |
65,0±3,33 |
60,0±13,33 |
75,0±3,33 |
При сравнении вариантов опыта с предварительным криогенным хранением семенного материала и без него, последующим облучением лазерным лучом было определено, что наилучшие показатели прорастания наблюдаются в вариантах опыта без криоконсервации семян. Так, например, в эксперименте с семенами без криогенного хранения, наилучшую всхожесть продемонстрировали семена, облученные лазером в течение 1 мин, — 80,5±1,3 %. А в варианте опыта с предварительным хранением семян в сжиженном азоте лучшую всхожесть продемонстрировали семена, облученные в течение 4 мин, — 75,0±3,33 %.
Проведя сравнительный анализ по динамике всхожести семенного материала Echinacea purpurea сорта «Ливадия» в различных вариантах эксперимента, было установлено, что прорастание семян, облученных в течение 4 мин без криоконсервации, наступает 3-е сутки. По сравнению с остальными вариантами опытов, прорастание задерживается на 1–2 суток. Семенной материал без криоконсервирования, облученный в течение 2 мин, пророс на 5-й день, а также семена с криогенным хранением, подвергнутые воздействию лазерного луча в течение 1 мин (табл. 6).
Таблица 6
Динамика прорастания семенного материала Echinacea purpurea сорта «Ливадия», облученного лазерным лучом
Дни прорастания |
Контроль |
Всхожесть,% |
|||||||
без криоконсервации |
с криоконсервацией |
||||||||
30 с |
1мин |
2 мин |
4 мин |
30 с |
1 мин |
2 мин |
4 мин |
||
1 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
2 |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
– |
3 |
– |
– |
– |
– |
5,0±3,33 |
– |
– |
– |
– |
4 |
6,0±4,0 |
5,0±3,33 |
15,0±10 |
– |
10,0±6,67 |
10,0±6,67 |
– |
10,0±6,67 |
15,0±10 |
5 |
59,25±0,87 |
35,0±0 |
55,0±10 |
35,0±3,33 |
55,0±3,33 |
55,0±5,77 |
30,0±6,67 |
60,0±13,33 |
45,0±3,33 |
6 |
59,25±0,87 |
35,0±0 |
55,0±10 |
35,0±3,33 |
55,0±3,33 |
55,0±5,77 |
30,0±6,67 |
60,0±13,33 |
45,0±3,33 |
7 |
59,25±0,87 |
35,0±0 |
55,0±10 |
35,0±3,33 |
55,0±3,33 |
55,0±5,77 |
30,0±6,67 |
60,0±13,33 |
45,0±3,33 |
8 |
77,0±0 |
45,0±10 |
55,0±10 |
45,0±3,33 |
60,0±0 |
60,0±9,43 |
45,0±10 |
60,0±13,33 |
50,0±0 |
9 |
87,5±2,89 |
65,0±10 |
80,0±13,33 |
50,0±0 |
70,0±0 |
60,0±9,43 |
65,0±3,33 |
60,0±13,33 |
65,0±3,33 |
10 |
90,0±4,71 |
65,0±10 |
80,0±13,33 |
50,0±0 |
70,0±0 |
60,0±9,43 |
65,0±3,33 |
60,0±13,33 |
65,0±3,33 |
Таким образом, при облучении семян Echinacea purpurea сорта «Ливадия» He-Ne лазером в достаточной мере сохраняется жизнеспособность, проросток проходит все фазы своего развития. Оптимальным временем воздействия лазерного облучения, позволяющим достичь наилучших показателей прорастания, является 1 мин. Не рекомендуется семена предварительно хранить в парах жидкого азота, так как это приводит к снижению всхожести семян. Метод облучения He-Ne лазером не актуален для исследуемого вида, по-видимому ионизирующее облучение отрицательно сказывается на прорастании семени и развитии проростка.
Проведя сравнительный анализ во воздействию физических факторов на жизнеспособность семенного материала Echinacea purpurea сорта «Ливадия», было определено, что для достижения максимальных показателей прорастания семени необходимо применять предварительное криогенное хранение семени в течение суток и затем использовать метод барботирования (табл. 7, рис. 1).
Показатели прорастания |
Контроль |
Двойное магнитное поле (1 сутки) без крикоконсервации |
Криогенное хранение + барботирование |
Без криохранения, облучение лазером He-Ne (1 мин) |
Энергия прорастания, % |
77,0±0 |
75,0±5,77 |
70,25±7,89 |
55,0±10 |
Всхожесть, % |
90,0±4,71 |
80,0±0 |
89,25±8,99 |
80,5±13 |
Таблица 7
Влияние физических факторов на показатели прорастания семенного материала Echinacea purpurea сорта «Ливадия»
При сравнении наилучших показателей прорастания семян исследуемого вида, испытывающих влияние различных вариаций физических факторов, было определено, что семена начинают прорастать быстрее и соотвественно этапы онтогенеза наступают раньше в варианте опыта с предварительным хранением семян в парах жидкого азота и последующим барботированием в течение суток. В контрольной группе и в эксперименте с облучением семян He-Ne лазерным лучом прорастание семени наблюдалось на 4-е сутки, а в эксперименте с воздействием на семена двойного магнитного поля они проростали на 5-е сутки (табл. 8, рис. 2).
Серия «Биология. Медицина. География». № 2(106)/2022
67
Заключение
Согласно проведенному патентно-информационному поиску, было установлено, что физические факторы положительно влияют на всхожесть семенного материала и на развитие проростков. В результате проведенных исследований было определено снижение показателей прорастания в вариантах опыта с облучением семян He-Ne лазерным лучом и воздействием магнитных полей с предварительным хранением в парах жидкого азота и без него. В среднем всхожесть в различных вариантах опыта снизилась от 10 до 40 %, по сравнению с контрольными значениями. Положительное влияние на прорастание семени оказал процесс барботирования, в варианте опыта с предварительным криогенным хранением в течение суток. Показатели прорастания оказались сравнимы с контрольными значениями. Таким образом, метод барботирования может быть рекомендован при организации банка краткосрочного и долгосрочного хранения семян.
Данные исследования выполнены в рамках грантового проекта КН МОН РК АР09259548.
Список литературы
- Флора Казахстана. — Т. 7. — Алма-Ата: Наука, 1964. — 345 с.
- Доброхотова К.В. Лекарственные растения Казахстана / К.В. Доброхотова, В.В. Чудинов. — Алма-Ата: Казах. гос. изд-во, 1961. — 109 с.
- Грудзинская Л.М. Аннотированный список лекарственных растений Казахстана: справоч. изд. / Л.М. Грудзинская, Н.Г. Гемеджиева, Н.В. Нелина, Ж.Ж. Каржаубекова. — Алматы, 2014. — 200 с.
- Красная книга Казахстана. — Т. 2. Растения. — Астана: ТОО Арт Print XXI, 2014. — 452 с.
- Dixit S. Cryopreservation: a potential tool for long-term conservation of medicinal plants / S. Dixit, A.A. Narula, P.S. Srivastava // Plant Biotechnology and Molecular Markers. — New-Delhi: Anamaya Publisher, 2004. — P. 278–288. https:/doi.org/10.1007/1-4020-3213-7_19
- Chen S.-L. Conservation and sustainable use of medicinal plants: problems, progress and prospects / S.-L. Chen, H.-M. Luo, Q. Wu, C.-F. Li, A. Steinmetz // Chinese Medicine. — 2016. — Vol. 11 (37). — P. 2–10. https://doi.org/10.1186/s13020-016-0108-7
- Лекарственное растительное сырье. Фармакогнозия: учеб. пос. / под ред. Г.П. Яковлева и К.Ф. Блиновой. — СПб.: Специальная литература, 2004. — 763 с.
- Додонова А.Ш. Рекомендации по криоконсервации семенного материала лекарственных и эндемичных видов растений / А.Ш. Додонова, Е.А. Гаврилькова, М.Ю. Ишмуратова, С.У. Тлеукенова. — Караганда: Полиграфист, 2017. — 76 с.
- Зорина М.С. Определение семенной продуктивности и качества семян интродуцентов / М.С. Зорина, С.П. Кабанов // Методики интродукционных исследований в Казахстане. — Алма-Ата: Наука, 1986. — С. 75–85.
- Мальцева М.В. Пособие по определению посевных качеств семян лекарственных растений / М.В. Мальцева. — М., 1950. — 56 с.
- Удольская Н.Л. Методика биометрических расчетов / Н.Л. Удольская. — Алма-Ата: Наука, 1976. — 45 с.
- Электронный ресурс. Режим доступа: https://medstatistic.ru/