1. Введение

Одной из актуальных проблем современного семеноводства является сохраняемость посевных качеств семян в процессе длительного хранения. Ежегодные потери семенного материала из-за естественного старения могут достигать 15–30% в зависимости от вида сельскохозяйственных культур и условий хранения [1]. Традиционные методы закладки посевного материала на длительное хранение такие, как пониженные температуры, регулируемая влажность требуют значительных энергетических затрат, а химические обработки имеют экологические ограничения. В связи с этим последнее время активно изучается возможность использования физических методов предпосевной обработки не только для повышения всхожести, но и для стимуляции устойчивости семян к процессам старения при длительном хранении. Особый интерес представляют электромагнитное поле сверхвысокочастотного диапазона (ЭМП СВЧ) и плазменная обработки. Имеются данные о стимулирующем влиянии СВЧ-обработки на энергию прорастания и всхожесть семян различных сельскохозяйственных культур [2]. Показано также, что плазменная обработка может активировать антиоксидантную систему растений, повышая их устойчивость к стрессовым факторам. Отмечен положительный эффект плазмы для инактивации патогенных микроорганизмов в пищевой промышленности, биомедицине, и в последнее десятилетие плазменная нетермическая обработка стала активно применяться в сельском хозяйстве [3]. Однако до настоящего времени оставалось неизученным влияние этих методов на долгосрочную сохранность посевных качеств семян сельскохозяйственных культур.

Цель работы — изучить влияния обработок электромагнитным полем (ЭМП СВЧ) и плазмой на сохранение всхожести семян кукурузы при длительном хранении.

2. Методы и принципы исследования

В качестве объекта исследования использовались семена кукурузы (Zea mays L.) гибрида Дарья белорусской селекции. Обработка семян физическим методами проводилась в НИУ «Институт ядерных проблем» БГУ на лабораторном оборудовании для электромагнитной обработки семян ЭМП СВЧ в диапазоне частот 64–66 ГГц, мощность 10 мВт, время воздействия 12 минут со встроенным круговым преобразователем поляризации для равномерного облучения семенного материала [3]. Плазменная обработка проводилась на запатентованном оборудовании в течение 4 секунд. Семена облучались вертикальной рабочей камере из кварцевого высокотемпературного стекла, в нижней части которой смонтирована решетка из титана 50×50 мкм, которая служит нижним электродом для подачи высокого напряжения. Так как семена имеют меньшую плотность (меньше 1 г/см3), чем частицы электропроводящего слоя (насыпная плотность порошка железа 1,66 г/см3), то они (т.е. семена) потоком воздуха подымались и скапливались в верхней части рабочей камеры (под специальной ограничивающей сеткой), где совершали интенсивные колебательные и вращательные движения (наблюдаемые визуально при выключенном высоковольтном источнике электропитания), что обеспечивало равномерное их облучение [4].

Обработанные семена закладывались на длительное хранение при стандартных условиях (температура 18–22°C, относительная влажность 60–70%). Отбор проб проводился через 1, 6, 12, 24, 36, 48 и 60 месяцев хранения.

Лабораторная всхожесть определялась по ГОСТ 12038-84. Проращивание проводилось в рулонах при температуре 25° C. Всхожесть определялась на 7-е сутки (%) роста. Статистическая обработка: однофакторный дисперсионный анализ (ANOVA), апостериорный тест Тьюки (p < 0,05). Все измерения выполнены в трехкратной биологической повторности.

3. Результаты и их обсуждение

Результаты пятилетних исследований представлены в таблице 1 и на рисунке 1. Установлено, что характер изменения всхожести семян существенно зависел от вида предпосевной обработки. На начальных этапах хранения через 1–6 месяцев СВЧ-обработка приводила к достоверному повышению всхожести по сравнению с контролем и плазмой (p < 0,001). Всхожесть семян обработанных СВЧ составляла 97,7–97,8%, тогда как в контроле и варианте с плазмой этот показатель не превышал 80,6%. Через 12 месяцев хранения стимулирующий эффект СВЧ полностью нивелировался, всхожесть во всех вариантах обработки не имела достоверных различий (p > 0,05). После 24 месяцев хранения наблюдалось ускоренное старение семян, которые были обработаны ЭМП СВЧ, что привело к резкому снижению посевных качеств с 57,4% до 21,0% к 60-му месяцу инкубации, что было достоверно ниже контроля и плазмы на всех сроках (p < 0,001). В то же время плазменная обработка обеспечивала стабильное сохранение всхожести зерновок кукурузы на протяжении всего периода исследования. За 5 лет всхожесть семян снизилась только на 5,6% с 80,6% до 75,0%, через 60 месяцев инкубации плазма достоверно превосходила контроль (p = 0,008) и СВЧ (p < 0,001).

4. Обсуждение

Полученные результаты впервые демонстрируют принципиально различные эффекты действия ЭМП СВЧ и плазменной обработок на долгосрочную сохраняемость семян кукурузы. Можно полагать, что ЭМП СВЧ-обработка семян вызывала мощный, но транзиторный всплеск метаболической активности, что проявляется в высокой всхожести на ранних сроках хранения. Однако этот эффект сопровождается истощением защитных резервов клеток. Наши данные показывают, что после 2-х лет хранения предпосевная ЭМП СВЧ обработка семян приводит к их ускоренному старению, и к 5-му году их всхожесть оказывается в 2,8 раза ниже контроля. Это согласуется с концепцией «цены стресса» и данными о том, что сильные стрессовые воздействия могут сокращать жизненный цикл семян [6].

Ранее нами было показано, что ЭМП СВЧ-обработка приводит к перестройке пула жирных кислот и накоплению оксилипинов, что свидетельствует о развитии окислительного стресса [7]. А также на проростках кукурузы показано, что обработка ЭМП СВЧ влияет на систему оксидантов-антиоксидантов, что выражается в накоплении активных форм кислорода (АФК) и продуктов перекисного окисления липидов (ПОЛ) [7]. [8][9]

В отличие от ЭМП СВЧ, плазменная обработка не дает резкого стимулирующего эффекта, но обеспечивает удивительную стабильность посевных качеств всхожесть снижается всего на 5,6% за 5 лет. Более того, на 5-й год хранения плазма достоверно превосходит контроль (p = 0,008). Это указывает на принципиально иной механизм действия: плазма индуцирует умеренный «сигнальный» уровень окислительного стресса, который активирует долгосрочные защитные программы клетки так называемый гормезис [10].

5. Заключение

Предпосевная обработка семян кукурузы ЭМП СВЧ (64–66 ГГц) обеспечивает краткосрочное повышение всхожести до 97,8% в первые 6 месяцев хранения, но приводит к ускоренному старению семян при длительном хранении (до 21,0% через 5 лет). Плазменная обработка семян кукурузы обеспечивает стабильное сохранение всхожести на уровне 75,0% в течение 5 лет хранения, достоверно превосходя контроль на 5-й год. Установлено, что плазменная обработка является эффективным методом повышения лежкоспособности семян кукурузы и может быть рекомендована для создания долгосрочных семенных резервов.

Полученные результаты имеют прямое практическое значение для семеноводства, однако результаты справедливы только исследованных гибридов кукурузы. Для формирования окончательных выводов по культуре в целом и разработки промышленных регламентов необходимы исследования на более широком спектре генотипов. Плазменная обработка может быть использована как эффективный, экологически безопасный метод повышения лежкоспособности семян кукурузы, позволяющий создавать долгосрочные страховые и резервные фонды семенного материала. В свою очередь, ЭМП СВЧ-обработка, напротив, может применяться только для семян, предназначенных для немедленного посева в текущем сезоне, и не рекомендуется для закладки на длительное хранение.

Перспективным направлением дальнейших исследований является изучение влияния ускоренного старения на фоне длительного хранения семян, а также исследование других физических методов и их комбинаций для сохранения качества семян.

The additional file for this article can be found as follows: