Россия
Самарская область, Россия
Скорость роста, биомасса растений и концентрация полезных соединений во многом зависят от качества и интенсивности освещения. Цель исследования – изучение влияния светодиодного освещения на процесс адаптации растений-регенерантов мяты водной с использованием цифровой климатической камеры. В ходе исследований изучаемым объектом служили микроклоны мяты водной (Mentha aquatica L.). Микроклоны мяты водной были выращены методом культуры клеток и ткани in vitro в лаборатории Российского государственного аграрного университета – МСХА им. К.А. Тимирязева. В дальнейшем был проведен комплекс мер по адаптации растений in vitro к условиям ex vitro с использованием цифровой климатической камеры производства ВИМ (Россия). Адаптацию растений-регенерантов проводили с использованием двух вариантов светодиодного освещения (LED): B:G:R ~ 16:42:39 и B:G:R ~ 26:66:49 в течение 24 суток. Оценивая интенсивность роста растений в динамике к 24-м суткам, выявили существенные различия между вариантами светодиодного освещения. При изучении количественного содержания фотосинтетических пигментов было установлено, что разная интенсивность освещения не повлияла на накопление общего хлорофилла и каротиноидов в листьях мяты водной. Установлено существенное влияние интенсивности освещения светодиодными источниками света на корнеобразование мяты водной. В результате оценки эффективности применения различных спектров светодиодного освещения для повышения укореняемости мяты водной к условиям ex vitro определен технологический прием использования светодиодного освещения со спектральным составом B:G:R ~ 16:42:39 и суммарной ФАР – 100 ммоль/м2с.
мята водная, светодиодное освещение, адаптация растений in vitro, пигменты, климатическая камера
Введение. Водяная мята (Mentha aquatica) – ароматическая и лекарственная культура, которая хорошо известна своими лечебными свойствами из-за производства большого количества терпеноидных компонентов [1]. Лекарственные свойства мяты водной обусловлены наличием фитохимических компонентов, имеющих большое экономическое значение [2]. Эти растения синтезируют важные вещества с анксиолитической, антиоксидантной, антихолинэстеразной и антибактериальной активностью, которые оказывают положительное влияние на здоровье человека [3].
Наряду с традиционные методами вегетативного размножения растений в последние годы активно применяют современные биотехнологические приемы, которые позволяют ускоренно получать необходимое количество генетически однородных оздоровленных культур.
Адаптация растений в культуре in vitro является заключительным этапом клонального микроразмножения. Известно, что спектральный состав освещения является важным фактором при укоренении и адаптации различных видов растений в культуре in vitro [4]. Применение светодиодов различной интенсивности и спектрального состава может стимулировать формирование побегов и корнеобразование. Исследования в данном направлении являются перспективными и актуальными во многих зарубежных научных учреждениях [5, 6]. По данным латвийских ученых, светодиодное освещение полного спектра значительно повлияло (p < 0,05) на развитие корневой системы у мериклонов Eryngium maritimum L. на стадии адаптации ex vitro [7]. Светодиодное освещение со спектральным составом в пропорции B:G:R ~ 21:59:70 значительно влияло на увеличение площади листа мяты, выращенной в закрытых агроэкосистемах [8]. В работе иранских авторов [9] представлены результаты влияния УФ-излучения на биохимические, морфологические и молекулярные показатели мяты водной.
Цель исследования – изучение влияния светодиодного освещения на ростовые процессы растений-регенерантов мяты водной при адаптации к условиям ex vitro.
Объекты и методы. В ходе исследований изучаемым объектом служили микроклоны мяты водной (Mentha aquatica L.) из рода Mentha, семейства Lamiaceae. M. aquatica – многолетнее травянистое растение. Стебли прямые, ветвящиеся, опушенные. В естественных условиях населяет прибрежные зоны рек и ручьев, а также заболоченные участки и культивируется по всему миру [10].
Микроклоны мяты водной были выращены методом культуры клеток и ткани in vitro в лаборатории биотехнологии на базе Российского государственного аграрного университета – МСХА им. К.А. Тимирязева. В дальнейшем был проведен комплекс мер по адаптации растений in vitro к условиям ex vitro с использованием климатической камеры производства ВИМ (Россия) на базе Федерального научного агроинженерного центра ВИМ.
Растения-регенеранты извлекали из пробирок пинцетом, корневую систему отмывали водопроводной водой от остатков питательной среды, на несколько секунд помещали в слабый раствор перманганата калия (KMnO4). После чего высаживали их в предварительно увлажненный и пролитый раствором KMnO4 почвенный грунт с перлитом в соотношении 1:1. Почвенный грунт имел следующий состав: органические вещества – 90–95 %; кислотность pH (H2O) – 5,5–6,5; азот (N) – 75–150 мг/л; фосфор (P2O5) – 75–150 мг/л; калий (K2O) – 80–200 мг/л.
В каждый горшок объемом 0,2 л высаживали по одному микроклону. Дальнейшее развитие микроклонов проходило в климатической камере для адаптации растений в течение 24 сут.
При проведении эксперимента в камере выдерживали следующие условия: температурный режим поддерживали в пределах 22–24 °С при 18-часовом фотопериоде. Показатель относительной влажности воздуха был задан на начало этапа адаптации (98 %) и на конец периода адаптации (30 %). В течение заданного периода (24 сут) система автоматики рассчитывала необходимый уровень влажности воздуха и плавно понижала его к концу периода. Цикл полива происходил 2 раза в сутки по 5 мин.
Адаптацию растений-регенерантов проводили с использованием двух вариантов светодиодного освещения (LED).
- Синий/blue (16 ммоль/м2с), зеленый/green (42 ммоль/м2с), красный/red (39 ммоль/м2с) и дальний красный (3 ммоль/м2с) спектр, с суммарной ФАР 100 ммоль/м²с (рис. 1).
- Синий/blue (26 ммоль/м2с), зеленый/green (66 ммоль/м2с), красный/red (49 ммоль/м2с) и дальний красный (5 ммоль/м2с) спектр, с суммарной ФАР 146 ммоль/м2с (рис. 2).
Рис. 1. Спектральный состав (пропорции B : G : R ~ 16 : 42 : 39) освещения растений-регенерантов мяты водной (верхняя полка)
Рис. 2. Спектральный состав (пропорции B : G : R ~ 26 : 66 : 49) освещения растений-регенерантов мяты водной (нижняя полка)
Измерения плотности потока фотонов и спектрального состава излучения проводили с помощью прибора MK350D Compact Spectrometer (UPRtek Corp. Miaoli County, Taiwan).
На этапе адаптации растений-регенерантов учитывали следующие показатели: число корней (шт.), длину корней (см), высоту побега (см) и накопление основных фотосинтетических побегов (мг/г).
Количественное содержание основных пигментов в листьях мяты водной определяли на спектрофотометре Спекс ССП-705М (Россия). При определении содержания хлорофиллов а, b и каротиноидов использовали следующие длины волн: 662, 644 и 440,5 нм соответственно. Концентрацию пигментов рассчитывали для 100 % ацетона по уравнению Хольма-Веттшнейна [11].
Статистическую обработку результатов проводили по стандартным методикам. Использовали НСР и тест Дункана для проверки значимости полученных данных при уровне вероятности p ≤ 0,05.
Результаты и их обсуждение. Адаптация растений к нестерильным условиям является одним из сложных и трудоемких этапов клонального микроразмножения, связанного с возникновением трудностей из-за смены условий культивирования (переход от 100 % влажности воздуха к 60 % и ниже). В зависимости от видовых и сортовых особенностей потери растений на этом этапе могут достигать 50–90 %. Поэтому основной целью этапа адаптации растений является создание таких условий, при которых гибель растений на данном этапе будет сведена к минимуму. Использование климатической камеры с функцией постепенного снижения влажности позволило более успешно адаптировать растения мяты водной к условиям ex vitro, где приживаемость растений составила 100 % (рис. 3).
На этапе адаптации было изучено влияние высокоэффективных источников освещения LED различной интенсивности на биометрические показатели и накопление фотосинтетических пигментов растений мяты водной.
Высота побегов растений мяты водной при выращивании в условиях двух вариантов светодиодного освещения (рис. 4) существенно не различалась. На начальных этапах роста и развития растений высота побегов варьировала в пределах 3,59–6,06 см на протяжении 8–15 сут наблюдений.
Оценивая интенсивность роста растений в динамике к 24-м сут, наблюдали существенные различия между вариантами светодиодного освещения. Наибольшая высота побегов (10,96 см) отмечена в варианте 1 с суммарной ФАР 100 ммоль/м2с.
Установлено существенное влияние светодиодного освещения различной интенсивности на корнеобразование мяты водной (рис. 5).
Рис. 4. Средняя высота побегов мяты водной в зависимости
от интенсивности светодиодного освещения
Содержание основных фотосинтетических пигментов в растениях мяты водной, мг/г
|
Вариант светодиодного освещения |
Хлорофилл |
Каротиноиды |
||
|
а |
b |
а + b |
||
|
1 |
5,81±0,1 |
2,07±0,1 |
7,88±0,2 |
1,65±0,1 |
|
2 |
6,49±0,2 |
2,16±0,1 |
8,65±0,2 |
1,86±0,1 |
|
НСР05 |
1,84 |
0,61 |
2,45 |
0,56 |
Рис. 5. Развитие корневой системы растений мяты водной на 24-е сут наблюдений
Отмечено, что количество корней и длина корней мяты водной возрастают при адаптации с применением светодиодного освещения в варианте 1 (ФАР – 100 ммоль/м2с) по сравнению с освещением варианта 2 (ФАР – 146 ммоль/м2с). В среднем большее число корней формировалось у мяты водной с показателем 3,92 шт. Анализ полученных данных установил, что средняя длина корней растений мяты водной значительно возрастает в варианте 1 – до 7,29 см, что в 5 раз (1,47 см) превышает длину корней при освещении растений спектром варианта 2.
На основе полученных данных по применению светодиодного освещения широкого спектрального состава с разной интенсивностью установлена возможность повышения, эффективности корнеобразования у растений-регенерантов мяты водной в процессе адаптации к условиям ex vitro.
При завершении этапа адаптации в условиях климатической камеры отмечался активный рост и формирование хорошо развитых растений, пригодных для высадки в открытый грунт (рис. 6).
Рис. 6. Адаптированные растения мяты водной в климатической камере
при разной интенсивности освещения: А – при ФАР 146 ммоль/м2с (вариант 2);
Б – при ФАР 100 ммоль/м2с (вариант 1)
При подборе оптимальной интенсивности освещения LED для повышения укореняемости микроклонов мяты водной необходимо учитывать особенности культуры.
Заключение. Выявлено существенное влияние интенсивности освещения на длину побегов, а также длину и количество корней, развивающихся у растений-регенерантов мяты водной на этапе адаптации к условиям ex vitro. В первом варианте, где ФАР составил 100 ммоль/м2с, средняя длина корней, побегов и количество корней оказались выше, чем у растений, находившихся в условиях второго варианта с интенсивностью в области ФАР 146 ммоль/м2с. При оценке содержания фотосинтетических пигментов в биомассе от изучаемого параметра не было выявлено существенных различий. Таким образом, экспериментально доказано, что правильно подобранная интенсивность освещения может положительно влиять на рост вегетативной массы и корневой системы растений мяты водной.
1. Nazari M., Zarinkamar F., Niknam V. Changes in primary and secondary metabolites of Mentha aquatica L. exposed to different concentrations of manganese // Environ Sci Pollut Res. 2018. DOI:https://doi.org/10.1007/s11356-017-0889-y.
2. Lotus flavonoids and phenolic acids: health promotion and safe consumption dosages / J. Limwachiranon [et al.] // Compr. Rev. Food Sci. Food Saf. 2018. 17. P. 458–471.
3. Antioxidant, anticholinesterase and antibacterial activities of Stachys guyoniana and Mentha aquatica / M. Ferhat [et al.] // Pharm. Biol., 2017.55. P. 324–329.
4. Azmi N.S., Ahmad R., Ibrahim R. Fluorescent light (FL), red led and blue led spectrums effects on in vitro shoots multiplication // J. Teknologi (Sci. & Engineering). 2016. Vol. 78. № 6-6, P. 93–97.
5. Fukuda N. Plant Growth and Physiological Responses to Light Conditions. // In Plant Factory Using Artificial Light; Elsevier: Amsterdam, The Netherlands, 2019. P. 71–77. DOI:https://doi.org/10.1016/B978-0-12-813973-8.00008-7.
6. Effects of Light Spectral Quality on the Micropropagated Raspberry Plants during Ex Vitro Adaptation. / I.G. Tarakanov [et al.] // Plants. 2021. 10. 2071. DOI:https://doi.org/10.3390/plants 10102071.
7. Large-Scale In Vitro Propagation and Ex Vitro Adaptation of the Endangered Medicinal Plant Eryngium maritimum L. / I. Mežaka [et al.] // Horticulturae. 2023. 9. 271. DOI: 10.3390/ horticulturae9020271.
8. Технологические приемы выращивания мяты и мелисы на вертикальных стелажах / И.В. Князева [и др.] // Вестник КрасГАУ. 2021. № 11. С. 78–84.
9. Nazari M., Zarinkamar F. Ultraviolet-B induced changes in Mentha aquatica (a medicinal plant) at early and late vegetative growth stages: Investigations at molecular and genetic levels // Industrial Crops & Products 154. 2020. 112618. DOI:https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2020. 112618.
10. Mentha: A genus rich in vital nutrapharmaceuticals-A review / F. Anwar [et al.] // Phytother. Res. 2019. 33, 2548–2570.
11. Голубкина Н.А., Кенина Е.Г., Молчанова А.В. Антиоксиданты растений и методы их определения. М.: ИНФРА-М, 2020. 181 с.
