Выращивание в условиях светокультуры

Одно из новых применений светокультуры связано с общим ухудшением экологической ситуации.

Для получения достаточных количеств пищевой добавки из ценных и редких растений, одним из новых и достаточно перспективных направлений является ее выращивание в искусственных условиях, в частности в условиях светокультуры, где основные факторы внешней среды могут поддерживаться на нелимитирующем уровне. Свет - достаточно легко реализуемый прием управления скоростью и направленностью биосинтетических процессов [425]. При оценке действия искусственного света на растения важно различать влияние его интенсивности, спектрального состава и продолжительности экспозиции на свету.

Основным источником энергии для фотосинтеза является фотосинтетически активная радиация (ФАР), поэтому с увеличением облученности до определенной величины пропорционально будет возрастать и интенсивность фотосинтеза [259]. Изучение зависимости процессов фотосинтеза от интенсивности света проводили различные исследователи в естественных условиях как путем учета поглощения С0₂ в разное время дня (при разной интенсивности лучистого потока), так и в одно и то же время, когда листья освещали светом различной интенсивности. На основании полученных данных строили так называемые световые кривые фотосинтеза, выражающие зависимость интенсивности фотосинтеза от интенсивности света [425].

Один из наиболее важных выводов ряда работ в этом направлении - это то, что световой оптимум фотосинтеза в большинстве случаев отвечает средней облученности условий происхождения и обитания растений [359; 489]. Однако растения, адаптированные к данному району, всегда получают за день (как и за весь вегетационный сезон) меньшее количество радиации, чем это возможно, для достижения потенциального уровня фотосинтеза. В то же время в условиях светокультуры растения могут постоянно получать оптимальную суточную дозу радиации. В отличие от полевых условий высокий уровень фотосинтеза может поддерживаться в течение всего светового дня без резких спадов и полуденных депрессий. Таким образом, ясно, что, используя потенциальные возможности растения, выработанные как адаптивные к среде, в оптимальных условиях светокультуры можно за единицу времени с единицы площади получать намного больше продукции, чем в природной обстановке [265; 266; 358; 422].

Результат искусственного облучения наиболее четко прослеживается в значительной интенсификации роста и развития растений, а также в возможности изменения ритмичности и направленности данных процессов. Это дает основание считать целесообразным использование метода светокультуры, с одной стороны, для дальнейшего изучения физиологических особенностей родиолы розовой, а с другой - для возможностей обоснования ряда практических рекомендаций для ее интенсивного культивирования в различных условиях.

Продуктивность культур, содержащих биологически активные вещества, необходимо рассматривать с двух позиций: урожайности (накопление биомассы за вегетационный период) и содержанию биологически активных веществ в биомассе [467].

В настоящее время достаточно разработаны основные представления о приспособительных к спектральному составу света морфогенетических реакциях растений. Из этих представлений следует, что зависимость роста и развития одного и того же растения от спектрального состава света не остается однозначной как в ходе онтогенеза, так и на любом его отрезке [422].

Как правило, при оценке длительного воздействия света определенного спектрального состава на растения исследователи выделяют три физиологически значимые спектральные области: синюю, зеленую и красную, спектральные границы которых четко не определены и, по данным разных исследователей, могут значительно варьировать [99; 265; 444]. Наибольшую физиологическую активность, по мнению ряда авторов, имеют синяя и красная области спектра. Поэтому считается, что выявление реакций растений на спектр излучения ФАР должно включать оценки действия на них в первую очередь излучений этих областей [421; 423].

Как показала Н. П. Воскресенская в своих работах [84; 85], растения, предварительно выращенные на белом свету, уже через несколько секунд после экспозиции под синим светом усиливают синтез неуглеводных продуктов: аминокислот (аланин, аспартат) и органических кислот (малат, цитрат), а под красным светом - растворимых углеводов. Через несколько минут экспозиции под синим светом интенсифицируется синтез белков, а под красным - крахмала.

По данным ряда авторов, синий свет стимулирует белковую, а красный - углеводную направленность метаболизма растений. Это отражается в первую очередь на биохимическом составе листьев, подвергающихся прямому воздействию лучей какой-либо области спектра, а также в той или иной степени и на биохимии запасающих органов (корнеплоды, плоды, зерно). Однако данные по биохимии конечного хозяйственно ценного продукта растений, выращенных под светом различного спектрального состава, немногочисленны. Они редко сопоставляются с уровнями облученности растений и практически никогда - с уровнем достигнутой продуктивности ценоза по хозяйственно полезной биомассе. В результате итоговая продуктивность ценоза растений по полезному веществу часто остается невыясненной, ибо она зависит не только (а часто даже и не столько) от процентного содержания нужного вещества в биомассе, но и от общей продуктивности ценоза [176; 177; 178].

В работе Б. С. Мошкова [303] было показано значение сине-фиолетовой области видимого спектра. Она определяет высокую синтетическую деятельность растений, т. е. образование растительной массы, быстрый переход растений от роста к репродукции, задержку роста осевых органов, хорошее развитие листьев, темную окраску растений и т. д.

В другой работе [358] также было показано, что синий свет вызывает торможение роста стебля и поверхности листьев, при этом формируются листья с большей удельной плотностью. На синем свету наблюдался самый высокий фотосинтез в расчете на единицу площади листа. Красная область спектра способствовала интенсивному росту площади листьев и вытягиванию осевых органов, стимулированному, вероятно, фоторецептором красного света - фитохромом.

Показано, что свет не только стимулирует, но и вызывает новообразование многих так называемых вторичных соединений. В первую очередь это относится к широко распространенным фенольным соединениям, таким, например, как антоцианы, оксикоричные кислоты, катехины, флавоны и флавонолы. Свое воздействие на синтез вторичных соединений свет может оказывать различными путями. Здесь имеются в виду два основных типа воздействий: фотосинтетическое и нефотосинтетическое.

Фотосинтетическое воздействие света связано не только с тем, что в результате фотосинтеза с большой скоростью образуются предшественники и промежуточные продукты вторичных биосинтезов, энергетические источники и восстановители, но и с тем, что хлоропласта служат, по- видимому, единственным местом (компартаментом) образования некоторых вторичных соединений.

В случае фенольных соединений показано участие хлоропластов в биосинтезе катехинов, флавонолов, стильбенов, кверцетин, 6-метлсалициловой кислоты [421].

Показано, что фотосинтез активно функционирующих хлоропластов неразрывно связан с образованием в них (или хотя бы при их участии) как исходных продуктов для вторичных биосинтезов, так и целого ряда самих вторичных соединений.

Резюмируя приведенные выше литературные данные, можно отметить, что использование ряда редких или тропических растений в промышленных масштабах возможно лишь при получении достаточных количеств биомассы растения. При ее получении в искусственных условиях выращивания необходимо добиваться такого сочетания между накоплением биомассы и биологически активных веществ, чтобы сбор биологически- активных веществ с единицы площади культивируемых лекарственных растений был максимально возможным.

Для управления этими процессами в искусственных условиях необходимо исследовать сложные зависимости между спектральным составом света и процессами накопления биологически активных веществ, представляющих собой продукты вторичного метаболизма в растениях.

Родиола розовая (Rhodiola rosea L.). По данным Н. П. Ковалевой, А. А. Тихомирова, В. А. Долгушева (2003) [219], родиола розовая после 135-245 суток роста в условиях светокультуры по содержанию биологически активных веществ не уступает 3-4-летним растениям, выращенным в условиях естественных мест обитания. Кроме того, предполагается, что условия светокультуры позволят направленно воздействовать на процессы вторичного метаболизма, регулировать химический состав и дадут возможность сделать его оптимально влияющим на потребительские характеристики новых продуктов. Воздействие на метаболизм растений предполагается проводить изменением спектрального состава света и интенсивности облучения.

Известно, что биологическая активность растений родиолы розовой обеспечивается за счет накопления ряда вторичных метаболитов. Поэтому при выращивании ее в условиях светокультуры важно не только учитывать урожайность растения (т. е. накопленную за вегетационный период биомассу), но и стремиться повысить накопление в биомассе биологически активных веществ. В связи с этим Г. Р. Рыбаковой и А. А. Тихомировым [373] были выбраны в качестве фактора воздействия на сдвиг вторичного метаболизма режимы облучения с использованием голубого и красного спектров, а также белого света как при стационарных, так и переменных режимах воздействия. В стационарных режимах воздействия растения родиолы розовой облучались одним из выбранных спектров (красным или голубым спектрами, или белым светом), постоянным на протяжении всего периода культивирования. Под переменными световыми режимами воздействия в работе понимается смена спектрального состава света с белого света или красного спектра на голубой в предуборочный период.

При культивировании родиолы розовой условия среды поддерживали таким образом, чтобы они не были лимитирующими при выбранных световых режимах. Субстратом являлся керамзит. В субстрат каждые 6 часов подавали с помощью насоса питательный раствор Кнопа из соединенного с вегетационным шкафом герметического бака. Частота полива определялась данными А. В. Положий и др. [349] о том, что наилучшее развитие родиола розовая получает при периодическом обильном увлажнении, так как это растение способно к энергичному испарению воды по сравнению с другими растениями засушливых мест обитания. Температура воздуха днем составляла 24±1 °С, ночью 14±1 °С, относительная влажность воздуха - 70 %. Температура воздуха в вегетационном шкафу регистрировалась по термометру и записывалась на самописец. При нагреве воздуха выше заданной температуры автоматически отключался нагреватель, находящийся в токе воздуха постоянно работающего вентилятора. Регуляция водно-температурного режима основывалась на физиологических особенностях вида. Родиолу розовую можно отнести к группе ксерофитоидов, как и род Sedum, с которым связывают ее происхождение. Ксерофитоиды имеют сравнительно высокое осмотическое давление, они довольно устойчивы к обезвоживанию, но не устойчивы к перегреву. Этим объясняется выбор в эксперименте среднего значения дневной температуры. Выбор ночной температуры определяли с учетом оптимального влияния на тем- новую фиксацию С0₂ [219].

В исследованиях Г. Р. Рыбаковой [373] при выращивании из семян у растений родиолы розовой наиболее высокое процентное содержание са- лидрозида наблюдалось в режиме постоянного белого света в надземной биомассе к 123-м суткам вегетации, но в целом по растению уступало более ранним значениям как постоянного, так и переменного режимов облучения.

Наибольший пик в накоплении салидрозида зарегистрирован в результате перестановки с красного на голубой свет: в надземной биомассе - 63,5 %, в биомассе корневищ - 15,6 %. Но из-за замедления ростовых процессов прирост выхода салидрозида в результате смены спектрального состава света ни в одном из переменных режимов не произошел.

При сопоставлении данных по общему выходу салидрозида можно утверждать, что выращивание в режиме перестановки с белого света на голубой в течение 123 суток может быть целесообразным только с точки зрения получения большого количества биомассы корневищ с высоким содержанием в нем салидрозида. Но, учитывая время, затраченное на получение общего урожая салидрозида, конкурентоспособным представляется выращивание растений в течение 54 суток на постоянном красном или постоянном белом свету, что в два раза быстрее, а с точки зрения потребления электроэнергии менее затратно. В последнем случае урожай салидрозида будет обеспечиваться за счет надземной биомассы.

При выращивании родиолы розовой из корневищ наиболее оптимальным режимом по продуктивности биомассы и по абсолютному выходу салидрозида оказалось выращивание на постоянном красном свету в течение 70 суток. Режим перевода с белого на голубой свет уступал ему по этим показателям, но имел наиболее высокое содержание салидрозида в целом по растению. Смена спектрального состава света приводит к снижению темпов роста растений.

По содержанию салидрозида выращивание растений родиолы розовой из корневищ в рассмотренные 10 суток способствовало:

• • при режимах с красным светом - большему приросту в корневищах;
• • на постоянном белом свету - приросту в надземной биомассе;
• • на постоянном голубом свету - отставанию от других режимов, но равномерному приросту и в корневищах, и в надземной биомассе;
• • при перестановке с белого на голубой свет - высокому приросту показателя во всем растении с некоторым преобладанием в корневищах.

В целом по выращиванию родиолы розовой из корневищ в течение 70 суток в условиях светокультуры можно сделать следующие выводы:

• • постоянный красный свет целесообразно использовать для получения с целого растения наиболее высокого урожая салидрозида с единицы площади посева при высокой концентрации салидрозида в биомассе корневищ;
• • использование белого и постоянного голубого света позволяет получать надземную биомассу с максимально высокой концентрацией в ней салидрозида, но в значительно меньших объемах, чем при использовании красного света;
• • перестановка с белого света на голубой способствует получению биомассы с высокими концентрациями салидрозида во всем растении, но по выходу салидрозида такая биомасса уступает биомассе, полученной с использованием красного света;
• • на постоянном голубом свету формируется биомасса, которая в большинстве случаев уступает по исследуемым физиологическим характеристикам биомассе, сформированной на других исследованных режимах.

При выращивании растений родиолы розовой как из семян, так и из корневищ в надземной биомассе отмечалось более высокое накопление салидрозида, в среднем в два раза превышающее накопление в корневищах, что может представлять интерес с точки зрения использования зеленой биомассы в качестве источника БАВ.

Можно предположить, что растения родиолы розовой при выращивании из корневищ острее реагируют на стрессовое воздействие, связанное со сменой спектрального режима облучения, поэтому быстрее отзываются на стресс усилением вторичного метаболизма, менее существенно замедляют процесс накопления биомассы. Растениям, выращенным из семян, требуется более длительный период для восстановления после стресса как в отношении накопления биомассы, так и накопления салидрозида.

Эхинацея пурпурная (Echinacea purpurea (L.) Moench) и рудбекия волосистая (Rudbeckia hirta L.). И. В. Дойко [134] было проведено сравнительное исследование растений семейства астровых эхинацеи пурпурной и рудбекии волосистой.

В работе был использован вегетационный метод выращивания растений в условиях светокультуры.

В научной литературе [166] название «вегетационный метод исследования» закрепился за опытами с растениями, выращиваемыми обычно в небольших сосудах (вегетационных), защищающих растения от дождя и ветра. В зависимости от целей длительность выращивания растений в вегетационном опыте может продолжаться от нескольких дней и до полного вызревания растений. Вегетационный метод является одним из методов физиологического исследования растений и происходящих в них биохимических процессов. Известно, что вегетационный метод, в отличие от полевого метода, позволяет более детально выявлять значение отдельных факторов среды в жизни растений, а также поддерживать более постоянными в благоприятных границах различные внешние условия: в первую очередь одинаковое обеспечение растений влагой, выравненное корневое питание и одинаковые для всех растений условия освещения и температуры.

Благодаря этим особенностям вегетационный метод был выбран для изучения реакции растений эхинацеи пурпурной и рудбекии волосистой на различные спектральные режимы облучения в условиях светокультуры.

Эхинацею пурпурную и рудбекию волосистую выращивали в полимерных сосудах, заполненных крупным песком. В целях рационального использования световой энергии первоначально в течение трех летних месяцев растения выращивали в теплицах при естественном освещении, в дальнейшем изучаемые виды были помещены в вегетационные шкафы и выращивались на искусственном облучении. Вегетационный шкаф представлял собой сваренный из листовой стали полый параллелепипед с потолком из органического стекла и герметическим люком в одной из стенок. Источник света располагали над потолком со слоем проточной воды 35-50 мм. Полив растений проводили раствором Кнопа [346].

Облучение растений - 16 часов в сутки, температура воздуха днем 24±1 °С, ночью 14±1 °С, относительная влажность воздуха - 70 %.

В экспериментах использовали в качестве источников излучения лампы ДРИ-2000-6, достоинством которых является способность давать высокоинтенсивные лучистые потоки в области ФАР. Для выделения из ламп излучения в синей области спектра 400-500 нм применяли фильтры из голубого органического стекла (потому получаемая область ФАР далее именуется условно «голубая») [423]. В качестве контрольного варианта использовали излучение этого же типа ламп, но без цветных светофильтров. Уровень облученности ФАР в опыте и контроле составлял 100 Вт/м². Такой выбор был связан с тем, что при этой интенсивности облучения обычно достигается достаточно высокий энергетический коэффициент полезного действия (КПД) фотосинтеза растений [425].

Известно, что накопление БАВ в растениях происходит в течение всего вегетационного периода, но, по мере роста растений, темпы их фактического накопления отстают от темпов нарастания биомассы. Только ко времени образования репродуктивных органов происходит торможение интенсивности роста на фоне накопления БАВ, в результате чего выход последних на единицу массы сухого вещества повышается. Результаты многолетних исследований, проведенных на нескольких видах лекарственных культур, свидетельствуют о том, что стрессовые воздействия на растения светом, водным дефицитом и др. в предуборочный период способствуют накоплению вторичных соединений [467]. К последним относятся широко распространенные фенольные соединения, такие как гидроксико- ричные кислоты, катехины, флавоны и флавонолы [170].

При выращивании растений в условиях светокультуры можно повысить накопление в биомассе биологически активных соединений путем стрессового фактора, а именно сменой спектрального режима облучения в предуборочный период. В связи с этим нами для сравнительного анализа были выбраны стационарный и переменный спектральные режимы облучения с использованием белого и «голубого» спектров. Как показала Н. П. Воскресенская, растения, предварительно выращенные на белом свету, при последующей экспозиции на «синем» свету усиливают синтез вторичных метаболитов.

С учетом изложенного эхинацею пурпурную и рудбекию волосистую в эксперименте культивировали при двух различных спектральных режимах:

• на стационарном спектральном режиме облучения (контрольные образцы) - растения на протяжении всего вегетационного периода выращивали на белом свету;

• на переменном спектральном режиме облучения (опытные образцы) растения выращивали на белом свету до начала фазы цветения, после чего переводили на «голубой свет» на 10 суток.

Взятие проб на анализы для стационарного и переменного спектральных режимов облучения проводили одновременно.

Исследовали различные органы растений, которые могли служить сырьем для получения целевых продуктов - специфических биологически активных веществ - соцветия, листья, стебли и корни.

Сбор урожая проводили в период интенсивного цветения растений, так как, согласно данным литературы [41], предельное содержание БАВ растения этого вида накапливают в фазе цветения.

Среди функциональных веществ, способных оказывать иммуностимулирующее действие, изучали содержание суммы гидроксикоричных кислот (ГКК), аскорбиновой кислоты, каротиноидов и общее количество водорастворимых сахаров. Выбор этих соединений был связан с тем, что биологически активные вещества эхинацеи пурпурной именно в комплексе оказывают стимулирующее воздействие на организм человека [378]. По литературным данным, именно гидроксикоричные кислоты эхинацеи обладают антимикробным и иммуностимулирующим действием [500]. Так как производные гидроксикоричных кислот содержатся во всех частях растения в значительных количествах, этот класс соединений был выбран для стандартизации сырья травы эхинацеи, сухого экстракта и лекарственных препаратов [204]. Аскорбиновая кислота служит природным антиоксидантом, влияющим на функционирование иммунной системы.

Каротиноиды относятся к антиоксидантам, а также выступают функциональным ингредиентом, играющим важную роль в позитивном питании. Они участвуют в метаболизме, укрепляют иммунную систему организма. Антиоксиданты защищают организм человека от свободных радикалов, проявляя антиканцерогенное действие, а также блокируют активные перекисные радикалы, замедляя процесс старения.

Иммуностимулирующее действие эхинацеи пурпурной обусловлено также содержанием в ней водорастворимых сахаров. Они способствуют созданию иммунитета, лучшему усвоению некоторых макро- и микроэлементов, в частности кальция и фосфора, оказывают ранозаживляющее и противовоспалительное действие [404].

Так как комплекс перечисленных выше соединений относится к БАВ и является функциональным ингредиентом, то перед нами была поставлена задача: определить их относительное содержание в изучаемых видах растений. Кроме того, для управления формированием максимального абсолютного выхода целевого продукта лекарственного растения необходимо исследовать зависимости между накоплением биомассы и накоплением биологически активных веществ [467]. В связи с этим нами были проведены исследования по воздействию стрессового фактора, в качестве которого выступал свет, различный по спектральному составу, на относительный и абсолютный выход БАВ в растениях эхинацеи пурпурной и рудбекии волосистой, полученных в условиях светокультуры.

Изучение динамики накопления гидроксикоричных кислот показало, что наблюдали их более высокое относительное и абсолютное накопление в эхинацее пурпурной, чем в рудбекии волосистой, как при стационарном режиме облучения (контроль), так и при переменном спектральном режиме облучения (опыт). Во всех исследуемых органах изучаемых растений определили достоверное увеличение ГКК в результате смены спектрального режима облучения [134].

Сопоставляя относительное содержание аскорбиновой кислоты в исследуемых видах растений, выращенных с использованием разных спектральных режимов облучения, установили, что листья и соцветия характеризовались высоким процентным выходом аскорбиновой кислоты. Наибольшее ее содержание отмечено при переменном спектральном режиме облучения. Тем не менее соцветия, корни и стебли эхинацеи пурпурной при переменном спектральном режиме облучения отличались более высоким относительным выходом аскорбиновой кислоты, чем рудбекия волосистая. Хотя при выращивании на постоянном белом свете достоверных отличий между этими видами растений не установлено.

По абсолютному выходу аскорбиновой кислоты с одного растения при стационарном и переменном режимах облучения растения рудбекии волосистой характеризовались более высоким ее выходом для всех исследуемых органов, чем у эхинацеи пурпурной. Это связано с тем, что рудбекия волосистая отличалась более высокой продуктивностью по биомассе, чем эхинацея пурпурная.

Определение содержания каротиноидов в надземной части растений показало, что его наибольшее относительное количество находится в соцветиях и листьях, а низкое - в стеблях изучаемых видов растений. При переводе растений на «голубой» свет наблюдали увеличение этого соединения во всех вегетативных органах. Листья и соцветия эхинацеи пурпурной при переменном и стационарном спектральном режиме облучения характеризовалась наиболее высоким относительным выходом каротиноидов. Более высокое абсолютное количество каротиноидов наблюдали в рудбекии волосистой при переменном и стационарном спектральных режимах облучения по сравнению с эхинацеей пурпурной.

Определение относительного содержания водорастворимых сахаров показало, что при стационарном режиме облучения наиболее высокое их количество зарегистрировано в листьях и соцветиях эхинацеи пурпурной.

Корни растений содержали их в среднем в 1,6 раза меньше, чем листья и соцветия. Наиболее низкое количество этих соединений получено для стеблей исследуемых видов растений. При переводе растений с белого на «голубой» свет снижение водорастворимых сахаров во всех изучаемых органах недостоверно.

По абсолютному выходу водорастворимых сахаров с одного растения прослеживается та же тенденция. Перевод растений на «голубой» свет способствовал изменению количества водорастворимых сахаров в растениях в пределах ошибки, за исключением соцветий и корней эхинацеи пурпурной.

Таким образом, при выращивании растений в условиях искусственного облучения была отмечена их различная реакция на изменение спектрального состава излучения, в отношении накопления БАВ. Так, применение переменного спектрального режима облучения привело к достоверному увеличению концентрации ГКК, аскорбиновой кислоты, каротиноидов в биомассе изучаемых видов растений. Количество углеводов в результате не изменилось. Полученную таким образом растительную биомассу можно использовать как для фармацевтической промышленности, так и для пищевой в регионах Крайнего Севера и Сибири, исключив этапы длительной транспортировки и хранения, приводящие к ухудшению качества лекарственного сырья [134].

Стевия медовая (Stevia rebaudiana Bertoni). В лаборатории свето- физиологии и светокультуры Агрофизического НИИ (г. Санкт-Петербург) проведены исследования особенностей роста и развития растений стевии в светокультуре. Определены энергосберегающие режимы выращивания маточных растений, позволяющие получать с небольших площадей значительное количество зеленых черенков для последующего укоренения и высадки в открытый грунт. Предложена система укоренения с использованием фитильного увлажнения корнеобитаемой среды, автоматически поддерживающая необходимую влажность субстрата и воздуха в камере для укоренения. Найдены оптимальные световые и температурные режимы для укоренения зеленых черенков стевии в предложенных устройствах [231].

Одной из важнейших задач исследований была разработка приемов управления вегетативным ростом и репродуктивным развитием растений стевии. Являясь типичным коротко дневным растением, стевия переходит к цветению лишь на фотопериодах короче 13-часового. Используя явление фотопериодической индукции, можно получить цветение растений стевии и на длинном дне. Такой прием позволяет получать более обильное, чем на коротком дне, цветение, что особенно важно при проведении селекционной работы. Изучено влияние числа короткодневных (12-часовых) суточных циклов на индукцию цветения у растений стевии, выращиваемых при 14-, 16- и 18-часовых фотопериодах. Число короткодневных циклов для каждого варианта фотопериода составляло 2, 4, 8, 12 суток [155; 156]. Показано, что для индукции цветения растениям при 14-часовом фотопериоде достаточно 2-4 короткодневных циклов, а при 16-18-часовом - их необходимо не менее 4-6. Выявлено, что увеличение числа короткодневных циклов с 2 до 6, при всех используемых фотопериодах вызывает более обильное цветение (увеличение количества соцветий на растении). Более длительная индукция (8 или 12 суток) не приводила к увеличению числа образующих соцветий. Длительность фотопериодической индукции не повлияла на число цветков в соцветии. Время появления первых репродуктивных побегов существенно не различалось у растений из разных вариантов и составляло 20-23 дня после начала индукции.

Кроме процесса цветения фотопериодическая индукция повлияла и на вегетативный рост стевии. Индуцированные растения на всех фотопериодах имели меньшее количество пар листьев на стебле, чем неиндуциро- ванные. Несмотря на это, индуцированные растения стевии на длинном дне до их зацветения накапливали большую биомассу, чем неиндуциро- ванные. Наблюдаемые эффекты действия короткодневной фотопериодической индукции позволяют считать ее эффективным приемом управления как процессом цветения, так и вегетативным ростом растений стевии и использовать в практической работе по селекции и интродукции этой новой культуры в условиях умеренного климата [231].

Исследованием эффективности светокультуры стевии занимались НИНПЛ «Олимп» (Москва) и ГО Лицей-интернат КФЛД (Краснодарский край) [190].

На основе разработанных технологий выращивания и семенного размножения стевии в условиях интенсивной светокультуры на установках ГОУ ВРИ появилась реальная возможность выращивания качественного экологически чистого сырья - зеленой массы и семян стевии - практически в любое время года. Одновременно были отработаны вопросы размножения стевии как вегетативным путем - укорененными черенками, так и генеративным путем - семенами через рассаду.

При практическом освоении технологии выращивания стевии на одном квадратном метре установки ГОУ ВРИ выращивается за месяц около 3 кг свежей зеленой массы стевии с повышенным содержанием суммы гликозидов.

Энергозатраты на производство составляют порядка 50 кВт/ч на 1 кг зелени. Трудозатраты снижаются в несколько раз по сравнению с открытым грунтом или возделыванием в теплицах, производство становится экологически чистым, круглогодичным.

При необходимости расширения плантации с 1 м² за месяц можно одновременно с получением зеленой массы отобрать и укоренить почти 800 шт. черенков при энергозатратах на их получение 0,2 кВт/ч.

Технология получения семян стевии позволяет на тех же установках ГОУ ВРИ за счет изменения режимов выращивания растений перевести их из вегетативного развития на генеративное, получить качественное массовое цветение, а затем и полноценные семена.

Средний вес 1 000 шт. семян 0,6-0,7 г, всхожесть до 96 %, жизнеспособность семян сохраняется 2-4 года. Получение полноценной рассады из семян особых трудностей не представляет. Анализ растений стевии, выращенных из семян на установках ГОУВРИ в условиях интенсивной светокультуры, показал, что растения обладают известными гетерозисными свойствами, отличающими их по ряду признаков - длине междоузлий, способности пазушных почек к пробуждению и росту боковых побегов, размеру и форме листьев, зазубренности их краев, опушенности, интенсивности окраски листьев, их толщине. Имеются растения слабо и сильно кустящиеся, с отмирающими и неотмирающими нижними листьями на стеблях [190].

Биохимические анализы позволили достоверно установить, что растения отобранных групп отличаются не только по внешним анатомическим особенностям, но и по своему биохимическому составу. Они содержали разное количество комплекса гликозидов - от 10 до 18,6 %. В комплексах гликозидов отобранных вариантов было различным также содержание в них отдельных компонентов гликозидов - стевиобиозидов, рабаудиозидов и др. Поэтому представляются широкие возможности для дальнейшей селекционной работы со стевией с целью создания и отбора определенных сортов стевии, содержащих увеличенное количество тех или иных компонентов гликозидов для их целевого получения в растениях в соответствии с определенной медикаментозной направленностью.

Полученные различные сорта стевии могут служить самостоятельными источниками управления синтезом лекарственно-ценных соединений и извлечения однокомпонентных сахарозаменителей и лекарственных препаратов растительного происхождения, по сравнению с имеющейся суммой компонентов гликозидного комплекса, представленной в исходном материале стевии.

С этой целью данные сорта в дальнейшем могут быть широко размножены вегетативным путем - черенкованием. Одновременно их можно использовать для продолжения селекционной работы и выведения новых, еще более урожайных сортов стевии [190].

Объектом исследования И. А. Батуриной [40] послужило многолетнее травянистое растение семейства сложноцветных - стевия медовая (Stevia rebaudiana Bertoni). Для проведения экспериментальных исследований стевию выращивали в Институте биофизики СО РАН методом гидропоники на керамзите, используя открытые установки ускоренного выращивания растений (УВР). Рассада стевии была получена из Агрофизического научно-исследовательского института РАСХН.

В качестве корнеобитаемой среды использовали керамзит, с размером гранул 3-15 мм, с соотношением мелкой и крупной фракций 1:1. Наличие в субстрате мелких, пылевидных частиц ухудшает аэрирование субстрата, затрудняет равномерность поливов. При выращивании стевии вегетационные сосуды наполовину заполняли крупной фракцией 8-15 мм, а другую половину более мелкой 3-7 мм. Это обеспечивало хорошую водоудерживающую способность, аэрацию и теплоизоляционные свойства такого субстрата.

По физико-химическим свойствам керамзит является инертным материалом. Он не изменяет pH питательного раствора, не обладает поглотительной способностью в отношении катионов, не поглощает фосфат-ионов. Однако при длительном использовании этого субстрата на его поверхности откладываются фосфаты кальция, алюминия, железа. В этой связи периодически, через 10-15 дней применения питательного раствора, на 1-2 дня растения поливали водой с целью рассоления. При этом удаляются в основном азотные соединения и частично окись калия, магния, натрия. В качестве питательного раствора использовали модифицированный раствор Кнопа (табл. 11).

Модифицированный раствор Кнопа

Таблица 11

В отличие от маточного раствора, содержащего микроэлементы, которые способствуют синтезу витаминов и пигментов, в модифицированном растворе Кнопа содержатся соли калия, кальция, магния, железа. Соли калия оказывают влияние на синтез углеводов, белков и способствуют оттоку образовавшихся в листе углеводов.

При недостатке калия плохо развиваются опорные ткани и на растениях появляются бурые пятна. Кальций в противоположность калию уплотняет протоплазму клеток. Недостаток кальция отражается преимущественно на росте корневой системы, а магния приводит к снижению роста растения и вызывает светлую пятнистость листьев. Железо участвует в окислительно-восстановительных процессах в клетках растений, в построении ферментов (пероксидазы, каталазы) [133].

Частота поливов питательным раствором зависела от фазы роста растений и составляла 2-4 раза в сутки, pH питательного раствора 5,5-6,5. При смещении pH в щелочную среду соли выпадают в осадок, что требует постоянного контроля за pH питательного раствора.

В качестве источников облучения использовали лампы: ДнаТ-400, ДРИ 2000-6, ДМЗ-3000, которые хорошо себя зарекомендовали при выращивании растений в искусственных условиях [425].

ДнаТ-400 относится к натриевым лампам высокого давления. Лампа имеет большой срок службы (до 10 тыс. ч.) и высокий (до 28 %) энергетический коэффициент полезного действия [360].

Металлогалогенные лампы - ДРИ 2000-6 являются ртутными лампами высокого давления с добавками йодидов металлов. Гарантированный срок службы таких ламп до 2,0 тыс. ч., а практически значительно выше. Энергетический коэффициент полезного действия лампы порядка 20 %. Лампа по эффективности излучения и светотехническим характеристикам хорошо себя зарекомендовала в условиях светокультуры [425].

Лампы типа ДМЗ-3000 являются специальными растениеводческими лампами, отвечающими требованиям высокой фотосинтетической и продукционной деятельности растений [425].

Окоренение черенков вели в отстоявшейся водопроводной воде в течение 8-10 суток, а затем переводили на питательную смесь Кнопа, меняя концентрацию раствора. Вегетационные кюветы из нержавеющей стали 13x30x10 см³ заполняли водопроводной водой на 2/3, сверху клали поро- пластовую пластину толщиной 5-10 мм с отверстиями 6-7 мм в диаметре, а в них вставляли черенки стевии. Черенки своим основанием касались на 1-1,5 см воды. За счет наличия влаги в кювете растения находились в атмосфере повышенной влажности и не подсыхали. По мере испарения воду в кюветы доливали. Когда корни в количестве 3-4 корешков достигали длины 3-4 см, черенки вытаскивали из кюветы и пересаживали на постоянное место. Черенки имели 3-4 пары листьев.

Окореняемость черенков достигала 90-100 %. Частично одревесневшие черенки не использовали, так как их окореняемость была низкой.

Используемый способ окоренения черенков стевии оказался простым, легкодоступным и достаточно надежным. Через 2,5-3 недели черенки были готовы к посадке.

С целью выяснения влияния продолжительности дня, интенсивности облучения на продуктивность стевии выращивание проводилось следующим методом: растения выращивали в вегетационных сосудах из нержавеющей стали 14x22x15 см³, наполненных керамзитом с площадью питания 130 растений на 1 м², или 4 растения на сосуд. До возраста 60 суток растения выращивали на непрерывном освещении лампами ДНаТ-400 с интенсивностью облучения 45 Вт/м² ФАР. Питательным раствором служил раствор Кнопа. Растения формировали по типу кустарника с множеством побегов. В возрасте 60 суток растения подвергали обрезке с расчетом, чтобы оставалось одинаковое количество побегов. У каждого оставшегося побега сохраняли по два междоузлия с целью продолжения роста. Выравненные растения в 18 сосудах были выставлены на стеллажи с разной освещенностью 30, 45, 60 Вт/м² ФАР и разной продолжительностью фотопериода 12; 18 часов; непрерывное освещение. Продолжительность выращивания составляла 60 суток. Более высокие уровни облученностей не использовали, так как при данных условиях культивирования это вызывало ожоги у растений.

Для создания темнового периода сосуды с растениями убирали в темное помещение. Температура воздуха в темновой период была на 2-3 °С ниже, чем на свету (20-22 °С).

Для изучения влияния площади питания на продуктивность стевии растения выращивали на установке УВР под лампами ДРИ 2000-6 с облученностью 60 Вт/м² ФАР при непрерывном освещении на питательной среде Кнопа, при этом полив осуществляли четыре раза в сутки, температура воздуха составляла 24-25 °С. Густота посевов составляла 6, 100, 133 раст/м². Продолжительность выращивания - 180 суток. Дальнейшее увеличение густоты посевов представлялось нецелесообразным в связи с тем, что растения тянулись к свету, а доля листьев в общей биомассе посева снижалась.

Для выяснения влияния спектрального состава света на накопление стевиозида растения стевии в вегетационных сосудах выставляли под излучение различных диапазонов ФАР: «красный» (600-700 нм), «синий» (400-500 нм), «белый» (400-700 нм) интенсивностью 100 Вт/м² и 16- часовом фотопериоде. Для этого использовали излучение ламп ДРИ 2000-6 с цветными фильтрами. Спектральные характеристики цветных фильтров представлены в литературе [423].

При выборе спектрального состава света исходили из основных представлений о приспособительных к спектральному составу света морфогенетических реакциях растений, которые к настоящему времени достаточно хорошо разработаны [85; 170; 265; 358; 489].

Согласно таким представлениям наиболее физиологически активны синяя и красная области спектра. Поэтому считается, что выявление реакций растений на спектр излучения ФАР должно включить оценки действия на них в первую очередь излучений этих областей спектра [84; 85; 86; 421; 423]. По данным ряда авторов, интенсивность и спектральный состав света влияют на процесс накопления основных питательных веществ, вызывают новообразование многих так называемых вторичных соединений [81; 85; 139; 170]. В других исследованиях [467] показана возможность влияния на увеличение накопления алкалоидов стрессовых экологических факторов, применяемых в предуборочный период при максимальном накоплении биомассы растения.

Для определения научно обоснованных сроков уборки стевии по критерию накопления лекарственно-ценных соединений был проведен фракционный анализ накопления дитерпеновых гликозидов в разных частях растения в фазу образования семян. В этих экспериментах растения выращивали при облучении лампами ДМЗ-3000, интенсивностью 60 Вт/м² ФАР, густоте посева 100 раст/м² в течение 180 сут. В качестве выборки из посева стевии было взято 20 растений примерно одинаковых по морфологическим признакам.

Доказано, что для стевии, культивируемой в условиях светокультуры, накопление стевиозида и биомасса растений имеют нормальное распределение с максимумом в центральной части по вертикальному профилю посева.

Выход стевиозида на единицу сухого веса выше для молодых листьев, с увеличением возраста листьев концентрация стевиозида на единицу сухого веса понижается, а абсолютный выход стевиозида для листьев центрального яруса повышается за счет увеличения биомассы листьев.

Выяснено, что излучение красной и белой областей спектра, в отличие от синей обеспечивает накопление большей биомассы на протяжении периода вегетации. Однако при получении растительного лекарственного сырья содержание в нем продукта вторичного обмена может быть важнее общей биомассы.

Показано, что синий свет целесообразнее использовать в сравнении с красным для получения с целого растения более высокого выхода стевиозида. Однако в количественном отношении для получения более высокого абсолютного выхода стевиозида режим с использованием белого света является предпочтительным.

Результаты исследований дают основание считать, что правильный выбор спектрального состава искусственного света дает возможность сократить в условиях светокультуры период получения лекарственно-пищевого сырья стевии и использовать ее экологически чистую биомассу в качестве источника стевиозида.

Предлагаемые в работе световые технологии могут использоваться в тепличных хозяйствах различных регионов Сибири, включая северные. Это приближает получение биологически активного сырья стевии к экологически неблагоприятным районам, где его использование в качестве саха- розаменителя наиболее оправдано.

Выращивание стевии в ограниченных объемах в условиях светокультуры позволяет гарантированно получать экологически чистую свежую растительную продукцию, качество которой не страдает от условий длительной транспортировки и хранения [40].