Возможности и перспективы применения аномальных свето-темновых циклов для повышения энергоэффективности производства растительной сельскохозяйственной продукции в закрытых системах с искусственным освещением

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-16-00160

НазваниеВозможности и перспективы применения аномальных свето-темновых циклов для повышения энергоэффективности производства растительной сельскохозяйственной продукции в закрытых системах с искусственным освещением

Руководитель Титов Александр Федорович, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Карельский научный центр Российской академии наук" , Республика Карелия

Конкурс №80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки; 06-106 - Растениеводство

Ключевые слова Свето-темновой цикл, эндогенная ритмика, рост, продуктивность, урожай, пищевая ценность, листовые овощи, микрозелень, рассада

Код ГРНТИ68.35

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Предложенный проект направлен на решение актуальной и важной задачи - повышение эффективности производства растительной с/х продукции в закрытых системах с искусственным освещением, примером которых являются фабрики растений с искусственным освещением (PFAL – plant factory with artificial lighting). На PFAL имеется возможность контролировать и управлять всеми основными факторами внешней среды, но наиболее важными и перспективными в плане повышения энергоэффективности производства считаются манипуляции со световым фактором, т.к. именно с ним связаны основные затраты на энергопотребление. При этом исходят из общепринятых представлений о существовании у светового фактора трех составляющих, оказывающих существенное влияние на жизнедеятельность растений – интенсивность света, фотопериод (продолжительность светового периода в суточном цикле) и качество света (спектральный состав) и поэтому в исследованиях, проводимых на PFAL, изучают эффекты всех этих составляющих на продуктивность растений, качество урожая и энергозатраты на его получение. Однако на PFAL имеется возможность не только регулировать любой из указанных трех световых параметров, но и изменять распределение интеграла дневного освещения (суммарного количества фотонов, получаемых растением за сутки) во времени, что позволяет говорить о существовании еще одного, т.е. четвертого параметра светового фактора, который также может оказывать значительное влияние на растения. Учитывая же, что в закрытых системах нет необходимости привязываться к суточному 24 ч циклу, то логично расширить понятие «распределение интеграла света» во времени, выйдя за пределы суток, т.е. использовать в экспериментах и на практике аномальные (abnormal), отличные от 24-часового, свето-темновые циклы (они могут быть как короче, так и длиннее 24 ч). В единичных работах показано, что аномальные свето-темновые циклы, включая круглосуточное освещение, способны оказывать на растения положительный эффект (ускорять рост и развитие, увеличивать накопление ценных метаболитов и снижать содержание нежелательных, например, нитратов) и при этом уменьшать энергозатраты на единицу продукции. Однако, биологическая природа данного явления (феноменология и механизмы) пока не изучена и это является главной задачей проекта. В случае ее решения будут получены новые фундаментальные знания, на основе которых будут предложены новые научно-обоснованные способы повышения эффективности работы PFAL и увеличения рентабельности производства на них растительной с/х продукции.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Рубаева А.А., Шерудило Е.Г., Шибаева Т.Г. LED Continuous Lighting Reduces Nitrate Content in Brassicaceae Microgreens E3S Web of Conferences, 411, 01068 (год публикации - 2023)
10.1051/e3sconf/202341101068

2. Шибаева Т.Г., Рубаева А.А., Шерудило Е.Г., Титов А.Ф. The effect of mineral nutrition on yield, nutritional value and consumer safety of radish microgreens under different photoperiods Bio Web of Conferences, 67, 02025 (год публикации - 2023)
10.1051/bioconf/20236702025

3. Шибаева Т.Г., Шерудило Е.Г., Рубаева А.А., Левкин И.А., Титов А.Ф. Effects of abnormal light-dark cycles on pigments of Brassicaceae and Solanaceae plants Russian Journal of Plant Physiology, Т. 70, №7. C. 1-10. (год публикации - 2023)
10.31857/S0015330323600882

4. Шибаева Т.Г., Мамаев А.В., Шерудило Е.Г., Икконен Е.Н., Титов А.Ф. Responses of Tomato and Eggplant to Abnormal Light/Dark Cycles and Continuous Lighting Russian Journal of Plant physiology, Vol. 71. P. 12 (год публикации - 2024)
10.1134/S1021443723602951

5. Рубаева А.А., Шерудило Е.Г., Шибаева Т.Г. ВЛИЯНИЕ УДЛИНЕННЫХ СВЕТО-ТЕМНОВЫХ ЦИКЛОВ НА ПРОДУКТИВНОСТЬ И ПИЩЕВУЮ ЦЕННОСТЬ МИКРОЗЕЛЕНИ СЕМЕЙСТВА BRASSICACEAE Сборник статей Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Пути повышения эффективности животноводства, рыбоводства и растениеводства на Европейском Севере России", Петрозаводск, 13 декабря 2023 г, 2024. С. 122-128 (год публикации - 2023)

6. Шибаева Т.Г., Шерудило Е.Г., Рубаева А.А. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПО ОРГАНАМ БИОМАССЫ И ВЕЩЕСТВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ПИЩЕВУЮ ЦЕННОСТЬ, В МИКРОЗЕЛЕНИ РАСТЕНИЙ СЕМЕЙСТВА BRASSICACEAE АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ БИОЛОГИИ, СЕЛЕКЦИИ И АГРОТЕХНИКИ САДОВЫХ КУЛЬТУР Сборник трудов Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика Г.И. Тараканова. Москва, 2023 Издательство: Российский государственный аграрный университет , C. 341-344. (год публикации - 2024)
EVUYRT

7. Шибаева Т.Г., Мамаев А.В., Шерудило Е.Г., Икконен Е.Н., Титов А.Ф. Responses of Tomato and Eggplant to Abnormal Light/Dark Cycles and Continuous Lighting Russian Journal of Plant Physiology, Vol. 71. P.12 (год публикации - 2024)
10.1134/S1021443723602951

8. Рубаева А.А., Шерудило Е.Г., Шибаева Т.Г. Влияние удлиненных свето-темновых циклов на продуктивность и пищевую ценность микрозелени семейства Brassicaceaе Пути повышения эффективности животноводства, рыбоводства и растениеводства на Европейском Севере России : сборник материалов научно-практической конференции с международным участием, посвященной 70-летию кафедры зоотехнии Петрозаводского государственного университета / М-во науки и высш. образования Рос. Федерации, Федер. гос. бюджет. образоват. учреждение высш. образования Петрозав. гос. ун-т ; отв. ред. А. Ю. Волкова. — Петрозаводск : Изд-во ПетрГУ, C/ 122-128. (год публикации - 2024)
BFLBVV

9. Шибаева Т.Г., Шерудило Е.Г., Икконен Е.Н., Рубаева А.А., Левкин И.А., Титов А.Ф. Effects of Extended Light/Dark Cycles on Solanaceae Plants Plants, Vol. 13. P. 244 (год публикации - 2024)
10.3390/plants13020244

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В климатических камерах, теплицах и полевых условиях изучали феноменологию и особенности физиолого-биохимических реакций растений в действии и последействии: а) на удлиненные свето-темновые циклы (24/12, 24/24, 48/24, 48/48, 200/0, 350/0 ч) и б) на укороченные свето-темновые циклы (8/4, 4/4, 4/2, 6/6, 3/3 ч). В качестве контрольного варианта в разных опытах в зависимости от задач использован фотопериод 12/12 ч или 16/8 ч. Объектами исследования служили: микрозелень амаранта Amaranthus hypochondriacus L., подсолнечника Helianthus annuus L., брокколи Brassica oleracea var. italica Plenck, горчицы сарептская Brassica juncea (L.) Czern., капусты красной Brassica oleracea var. capitata f. rubra L., кольраби Brassica oleracea var. gongylodes L., мизуны Brassica rapa ssp. nipposinica (L.H.Bailey) Hanelt, рапини Brassica rapa L. subsp. sylvestris L. Janch. var. esculenta Hort., редиса Raphanus sativus var. radicula Pers., руколы Eruca sativa Mill.; молодые побеги (baby leaf) гороха посевного Pisum sativum L.; овощные культуры закрытого грунта - баклажан Solanum melongena L., огурец Cucumis sativus L., сладкий перец Capsicum annuum L, томат Solanum lycopersicum L.; культуры открытого грунта - капуста цветная Brassica oleraceae L. botrytis L., табак Nicotiana tabacum L.; микропобеги (в культуре in vitro) карельской березы Betula pendula Roth var. carelica (Mercklin) Hämet-Ahti., березы далекарлийской B. pendula Roth f. dalecarlica (L. f.) Schneid и березы пушистой B. pendula Ehrh. Реакцию растений на аномальные свето-темновые циклы оценивали по ростовым показателям (линейные размеры, сырой и сухой вес побегов и корней, количество и площадь листьев), параметрам, характеризующим фотосинтетический аппарат и его активность (интенсивность фотосинтеза, содержание фотосинтетических пигментов, параметры флуоресценции хлорофилла) и урожайности. Качество микрозелени оценивали по индексу робастности, степени пигментации, содержанию питательных (растворимые углеводы и белки) и функциональных (антоцианов и флавоноидов, пролина) веществ, редокс-статусу и биобезопасности (содержание нитратов). Степень стрессирующего воздействия свето-темновых циклов оценивали по уровню перекисного окисления липидов (по содержанию малонового диальдегида, МДА), проницаемости мембран (по относительному выходу электролитов, ОВЭ) и содержанию перекиси водорода. В разных опытах в зависимости от задач и объекта исследования растения подвергали действию аномальных свето-темновых циклов в течение 8-15 сут (микрозелень и baby leaf), 30-40 сут в начальный рассадный период (школка) и/или 15 сут в конце прегенеративного периода, перед высадкой рассады овощных культур и табака в теплицу или в поле. В течение второго года работ по проекту накоплен значительный объем данных, касающихся феноменологии и физиолого-биохимических особенностей реакции растений (более 10 видов сельскохозяйственных культур, широко используемых для выращивания в закрытых системах в качестве микрозелени) на удлиненные и укороченные свето-темновые циклы, которые вошли в зарегистрированную базу данных «Продуктивность и пищевая ценность микрозелени семейства Brassicaceae в условиях аномальных свето-темновых циклов». Для конкретных видов выявлены свето-темновые циклы, повышающие продуктивность, пищевую ценность и биобезопасность растений по сравнению с контрольным фотопериодом, обеспечивающим растения таким же интегралом дневного освещения (ИДО). Проведенные исследования показали, что как удлиненные, так и укороченные свето-темновые циклы могут уменьшать энергозатраты на единицу продукции, преимущественно за счет использования энергии в «непиковые часы». Также установлено, что с помощью определенных аномальных свето-темновых циклов можно вызывать изменения в содержании определенных групп пигментов и вторичных метаболитов. При этом увеличение ИДО не является обязательным условием для запуска у растений фотозащитных реакций, приводящих к выработке определенных веществ, которые могут являться ценными метаболитами, повышающими пищевую ценность растений. Опыты с использованием аномальных свето-темновых циклов в течение двух недель в конце пререпродуктивного периода, показали, как и в первом сезоне, что некоторые из них способны оказывать положительное влияние на качество рассады и урожайность растений в последействии. Определено, что причины различной чувствительности конкретных видов сельскохозяйственных растений к аномальным свето-темновым циклам не связаны с их принадлежностью к разным группам по отношению к длине дня или по уровню светового насыщения и пока остаются предметом изучения, предполагая проведение дальнейших исследований. Выявлено, что в условиях аномальных свето-темновых циклов не сохраняется обычная (для определенного диапазона) зависимость продуктивности растений от интеграла дневного освещения (в случае укороченных циклов) или интеграла освещения (в случае удлиненных циклов). Данный факт не только интересен сам по себе, но и важен, поскольку модели роста и развития растений, предлагаемые для управления продукционным процессом обычно строятся на основе зависимости ростовых процессов от ИДО, а в случае с аномальными свето-темновыми циклами даная зависимость нарушается. Однако, с практической точки зрения это означает расширение возможностей для манипулирования световым фактором с целью получения продукции заданного качества при меньших затратах на освещение. В целом, накопленные за два года работ по проекту данные послужат основой для подбора (с учетом видовой специфики) аномальных свето-темновых циклов, с помощью которых можно получать в искусственных условиях в бóльшем количестве и/или лучшую по своим потребительским качествам растительную продукцию с одновременным повышением энергоэффективности производства.

Публикации