Разработка экологически безопасных и энергоэффективных спектральных и лазерных технологий для увеличения продуктивности сельскохозяйственных растений и животных

Целью НИР являлось исследование влияния спектров света и временных режимов освещения на сельскохозяйственные растения, а также выявление влияния фотоконверсионных покрытий на фотосинтез, электрический сигналлинг и продуктивность сельскохозяйственных растений. Объект исследования: салат (Lactuca sativa L.) сорта «Азарт», томат (Solanum lycopersicum L.) сорта «Балконное чудо» и «Комнатный сюрприз». Методы: определение сырого и сухого веса; оценка индексов отражения; определение показателей активности световой стадии фотосинтеза методом РАМ-флуориметрия; измерение уровня ассимиляции и уровня транспирации с помощью инфракрасного газоанализатора, электрофизиологические исследования, оценка биомассы. Основные результаты: 1. Подтверждена эффективность использования освещения с высокой долей красного света для увеличения биомассы салата (сырой и сухой вес). Основным механизмом стимуляции продуктивности салата при таком освещении - низкий уровень темнового дыхания при ограниченных изменениях ассимиляции углекислого газа, что способствует накоплению органических соединений в растениях. Вариант освещения с высокой долей синего света вызывает увеличение содержания фотосинтетических пигментов, кроме того показано снижение нециклического и возрастание циклического потоков электронов и связано с изменениями содержания фотосинтетических пигментов в антенном комплексе фотосистемы I. Предложена гипотеза, в соответствии с которой обработка синим светом при выращивании салата может повысить устойчивость этих растений к различным стрессорам. Проведена оценка различных временных режимов освещения на физиологические процессы. Использование короткого светового цикла, по-видимому, способствует переходу растения в стрессовый режим (и повышению устойчивости фотосинтетического аппарата), при сохранении достаточно высокого продукционного процесса. Можно предположить, что такой режим может быть эффективен при возникновении биотической или абиотической угрозы, так как будет способствовать повышению устойчивости фотосинтетического аппарата растений. Анализ влияния длительности освещения в рамках суточного светового цикла показал, что такое увеличение приводит к непропорциональному возрастанию накопления общей и сухой биомассы, увеличению фотосинтетической ассимиляции и нециклического потока электронов, снижению циклического потока электронов вокруг фотосистемы I и NPQ. В основе выявленного эффекта лежит, по-видимому, увеличение содержания фотосинтетических пигментов и повышение общей активности усвоения CO2 при 24-часовом режим освещения. С практической точки зрения, такой результат показывает, что культивирование салата при круглосуточном освещении может оказаться достаточно эффективным. 2. Изучено влияние ап-конверсионных люминесцентных наночастиц, нанесённых на стёкла, на продуктивность. Выращивание томатов под фотоконверсионными стёклами привело к увеличению продуктивности растений и ускорению адаптации растений к ультрафиолетовому излучению. Выявлено увеличение общей площади листьев и содержания хлорофилла в листьях у растений, растущих под фотоконверсионными стёклами. Растения, выращиваемые под фотоконверсионными стёклами, смогли более эффективно использовать поглощённую световую энергию. Было высказано предположение, что спектральные изменения, вызванные фотоконверсионными стёклами, могут ускорить адаптацию растений к появлению ультрафиолетового излучения. 3. Фотоконверсионное покрытие для теплиц способствует увеличению размера растений томата и активации процесса фотосинтеза. При этом у растений, выращенных с использованием фотоконверсионных технологий, имеет место ослабление дистанционных ЭС, которые за счёт изменения активности фотосинтеза и транспирации повышают устойчивость к стрессорам. По-видимому, за счёт снижения содержания в тканях АФК у таких растений происходит сдвиг программы развития в сторону продуктивности в ущерб защитным функциям. В результате этого у растений, выращенных под фотоконверсионным покрытием, снижается вызванная электрическими сигналами устойчивость к тепловому стрессу. Таким образом, при использовании в сельскохозяйственной практике фотоконверсионных технологий необходимо уделять повышенное внимание поддержанию стабильных условий в ходе выращивания растений. 4. Был разработан и параметризирован блок модели, описывающий непосредственно фотосинтетические процессы, транспорт углекислого газа из внешней среды в мезофилл, а также повреждение фотосинтетического аппарата неблагоприятными факторами (в частности, избыточным освещением). Разработанная модель в дальнейшем будет использована в качестве составной части модели фотосинтетических процессов, учитывающей спектральный состав освещения растений.