Люминесцентная диагностика семян кормовых растений при скарификации

Категория: Инженерия.

Реферат. В целях повышения всхожести семян кормовых растений необходимо проводить их скарификацию. Для диагностики эффективности механической скарификации проводили исследование спектральных характеристик возбуждения и люминесценции семян галеги восточной, клевера и люпина. Измерение спектров производили на спектрофлуориметре «Флюорат-02-Панорама» по ранее разработанной методике. При скарификации семян максимальное значение двумодального спектра возбуждения семян галеги увеличилось относительно спектра возбуждения нескарифицированных семян на 28%. На математическое ожидание, дисперсию, статический момент 3-го и 4-го порядков, энергию спектра, эффективную ширину спектра, частоту максимума спектра и центра тяжести, частоту на уровне 0,5 скарификация практически никакого влияния не оказывает. Асимметрия для возбуждения имеет отрицательные значения, а для люминесценции – положительные. После скарификации интеграл под кривыми возбуждения семян клевера увеличивается в 1,62 раза, а под кривыми люминесценции – в 1,45 раза. Для спектров люминесценции и возбуждения при скарификации увеличивается площадь, незначительно меняется энергия спектра и дисперсия, смещается центр тяжести в коротковолновую область. При скарификации эксцесс для спектров люминесценции увеличивается, а для спектров возбуждения – уменьшается. Отличительная особенность спектров возбуждения – симметрия относительно центра тяжести кривой. Для спектров люминесценции и возбуждения семян люпина при скарификации увеличивается площадь, незначительно меняется энергия спектра, центр тяжести смещается в длинноволновую область. При скарификации эксцесс для спектров возбуждения увеличивается и меняет знак на противоположный, а для спектров люминесценции – увеличивается не так значительно и остается по-прежнему отрицательным. Отличительная особенность спектров люпина – симметрия относительно центра тяжести кривой. Семена всех исследованных культур при скарификации дают статистически подтвержденное увеличение потока люминесценции.

Ключевые слова: скарификация, галега восточная, клевер, люпин, спектр возбуждения, спектр люминесценции.

Согласно классификации типов органического покоя, семена таких кормовых растений, как галега восточная (козлятник), клевер, люпин и другие, относятся к типу с экзогенным физическим покоем, обусловленным наличием твердой семенной оболочки. Поэтому в целях повышения всхожести семян необходимо проводить их скарификацию [1, 2].

Проводилось сравнение люминесценции нескарифицированных и скарифицированных семян галеги восточной различной всхожести. Опыт заключался в механической скарификации 400 семян галеги с помощью наждачной бумаги и последующего измерения спектральных характеристик возбуждения и люминесценции. Измерение спектров производили на спектрофлуориметре «Флюорат-02-Панорама» [3] по ранее разработанной методике [4].

На рисунке 1 приведено сравнение усредненных спектров возбуждения и люминесценции двух видов 400 семян козлятника скарифицированного и нескарифицированного. Рабочий диапазон спектра возбуждения – 420–505 нм; главный максимум – 461 нм; побочный максимум – 485 нм. Диапазон спектра люминесценции – 480–630 нм. График спектра люминесценции достигает максимума в диапазоне от 527 до 535 нм.

Кроме того, из графика видно, что за счет скарификации семян максимальное значение ηэ двумодального спектра возбуждения увеличилось относительно спектра возбуждения нескарифицированных семян на 28%, положение максимумов не изменилось, однако соотношение их интенсивности поменялось: у нескарифицированного первый максимум имеет интенсивность на 0,9 о. е. большую, чем второй максимум, а у скарифицированного – на 2 о. е. Изменение интенсивности спектра люминесценции аналогично изменению спектра возбуждения: интенсивность увеличилась на 28%.

Для математической обработки в программном обеспечении PanoramaPro определили интегралы под кривыми люминесценции и возбуждения. При этом первый, под кривыми спектра люминесценции, имеет физический смысл относительного потока люминесценции. Анализируя полученные результаты, заметили, что люминесценция может увеличиваться на 185% и падать до 42%. Также следует отметить, что в 7% измерений люминесценция от скарифицированных семян становится меньше, чем у нескарифицированных.

Интегралы под кривыми возбуждения определяли для двух участков спектра: 420–470 нм и 470–505 нм, чтобы определить соотношения между максимумами. Для этого нашли среднее значение всех рассчитанных интегралов (табл. 1).

Таблица 1 – Усредненные параметры спектров возбуждения и люминесценции нескарифицированных и скарифицированных семян галеги, о. е.

Из таблицы 1 видно, что для спектров нескарифицированных семян среднее значение интеграла в диапазоне 420–470 нм больше, чем среднее значение интеграла в диапазоне 470–505 нм в 1,29 раза, а для спектров скарифицированных семян – в 1,54 раза. Скарификация увеличила данное соотношение на 20% [5].

Кроме того, провели анализ спектров фотолюминесценции галеги восточной с помощью программного графического математического пакета MicrocalOrigin 7.0 с целью определения их статистических параметров и получения представления о показателе широкополосности спектра. Для этого определили параметры усредненных спектров возбуждения и люминесценции двух видов 400 семян галеги (рис. 1) и занесли их в таблицу 2.

Анализируя полученные данные из таблицы 2, можно заметить, что на такие параметры, как математическое ожидание, дисперсия, статический момент 3-го и 4-го порядков, энергия спектра, эффективная ширина спектра, частота максимума спектра и центра тяжести, частота на уровне 0,5, скарификация практически никакого влияния не оказывает. Кроме того, видно, что асимметрия для возбуждения имеет отрицательные значения, а для люминесценции – положительные. В то же время энергия спектра положительна как для ­возбуждения, так и для люминесценции.

Аналогичный опыт провели и с семенами клевера. Использовались 50 семян клевера тетраплоидного. Рабочий диапазон спектра возбуждения – 380–500 нм, рабочий диапазон спектра люминесценции – 470–680 нм. Далее усреднили все полученные спектры (рис. 2) и провели обработку результатов в программном пакете MicrocalOrigin.

Пики спектров люминесценции находятся на отрезке 504–519 нм, пики кривых поглощения лежат в следующих диапазонах: главный пик на ­445–451 нм, побочный – на 483–488 нм.

Затем вычислили интегралы под кривыми возбуждения и люминесценции. После скарификации интеграл под кривыми возбуждения увеличивается в 1,62 раза, а под кривыми люминесценции – в 1,45 раза. Пики кривых возбуждения располагаются: на 448 нм – главный и 486 нм  –побочный для нескарифицированных семян; 448 нм – главный и 485 нм – побочный для скарифицированных семян; пики кривых люминесценции находятся на 515 нм для нескарифицированных семян и 513 нм – для скарифицированных.

Для определения соотношения между максимумами определяли интегралы под кривыми возбуждения для двух участков спектра: ­380–475 нм и 475–500 нм. Оказалось, что для спектров нескарифицицированного клевера среднее значение интеграла в диапазоне 380–475 нм больше среднего значения интеграла в диапазоне 475–500 нм в 3,76 раза, а для скарифицированного – в 3,78 раза.

Затем провели математическую обработку для усредненных спектров клевера и результаты показали в таблице 3.

Из анализа данных, представленных в таблице 3, следует, что для спектров люминесценции и возбуждения при скарификации наблюдаются следующие изменения спектральных характеристик: значительное увеличение площади, незначительное изменение полной энергии спектра и дисперсии, смещение центра тяжести в коротковолновую область (примерно на 3 нм). При скарифи­кации коэффициент эксцесса для спектров люминесценции увеличивается, а для спектров возбуждения – уменьшается. Отличительная особенность спектров возбуждения – симметрия относительно центра тяжести ­кривой.

Аналогичный опыт был проведен для семян люпина. Следует отметить, что оболочка семян люпина плотная и зачатую темной окраски, вследствие чего интенсивность сигнала очень низкая. При слабой скарификации, когда частично повреждается оболочка, но визуально не видно тела семени, различий в снимаемых спектрах практически нет. Скарификацию выполняли так, чтобы оболочка пов­реждалась полностью, оголяя участок тела семян.

Рабочий диапазон спектра возбуждения – 300–460 нм, рабочий диапазон спектра люминесценции – 450–600 нм. Для скарифицированных семян главный пик спектра возбуждения лежит на отрезке 424–428 нм, побочный – на 442–448 нм, пик ­спектра люминесценции уходит в левый край диапазона измерения, а для нескарифицированных пик спектра возбуждения смещается к правому краю диапазона измерения, пик спектра люминесценции находится на ­515–532 нм. Далее усреднили все полученные спектры (рис. 3).

Из рисунка 3 видно, что спектр люминесценции двумодальный, причем побочный максимум появляется только после скарификации семян. Также отметим, что с ростом интенсивности сигнала растет соотношение амплитуд спектров возбуждения и люминесценции. Для количественной оценки этого найдем отношение интегралов под этими кривыми: для нескарифицированных семян люпина отношение интегралов спектров люминесценции и поглощения составило 1,24; для скарифицированных – 2,01.

Далее была проведена обработка спектров, результаты которой показаны в таблице 4.

Анализируя данные, представленные в таблице 4, можно сделать вывод о том, что для спектров люминесценции и возбуждения при скарификации наблюдаются следу­ющие изменения спектральных характеристик: значительное увеличение площади и уменьшение дисперсии, незначительное изменение полной энергии спектра, смещение центра тяжести в длинноволновую область (больше чем на 10 нм). При скарификации коэффициент эксцесса для спектров возбуждения увеличивается и меняет знак на противоположный, а для спектров люминесценции – увеличивается не так значительно и остается по-прежнему отрицательным. Отличительная особенность спектров люпина – симметрия относительно центра тяжести кривой.

Таким образом, семена всех исследованных культур при скарификации дают статистически подтвержденное увеличение потока люминесценции. При этом заметных качественных изменений спектральных характеристик, кроме люпина, не наблюдается. Полученные результаты могут быть положены в основу создания системы объективного контроля качества скарификации и использованы для усовершенствования механических скарификаторов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бушуева В. И., Таранухо Г. И. Галега восточная. – Минск : Экоперспектива, 2008. – 204 с.
2. Коледа К. В. Растениеводство : учеб. пособие / под ред. К. В. Коледы, А. А. Дудуна. – Минск : ИВЦ Минфина, 2008. – 480 с.
3. Технические характеристики спект­рофлуориметра Флюорат-02-Па­норама [Электронный ресурс] // Люмэкс. – Режим доступа: http://www.lumex.ru/catalog/flyuorat-02-panorama.php#specification.
4. Беляков М. В. Методика исследования люминесцентных свойств семян растений на спектрофлуориметре «Флюорат-02-Панорама» // Научная жизнь. – 2016. – № 3. – С. 18–26.
5. Беляков М. В., Харитонова Д. А., Кондрашова М. Е. Люминесцент­ные характеристики семян галеги вос­точной при скарификации // Энергетика, информатика, инновации – 2015 : сб. тр. V Междунар. науч.-техн. конференции : в 2-х т. Т. 1. – Смо­ленск : Универсум, 2015. – С. 264–266.

Метки: Инженерия

• Назад
• Вперед