Спектр против стресса. Челябинские ученые выявляют болезни растений по цвету и свету

О секретах фотоники — науке о свете и его влиянии на жизненный цикл растений рассказала одна из авторов ноу-хау доктор технических наук Елена Басарыгина, заведующая кафедрой математических и естественно-научных дисциплин Южно-Уральского агроуниверситета.

«Подправить» пигмент!

— В чем новизна вашего научного подхода?

— Мы предложили совершенно новую методику экспресс-оценки пигментов фотосинтеза, которая позволяет выявлять стрессовые состояния у растений. Напомню, что фотосинтез, превращение световой энергии солнца в биохимическую,— основа жизни на Земле. А фотоника изучает взаимодействие света с веществом, с ее помощью можно во многом постигнуть тайны живой природы. Все на Земле поглощает и излучает энергию света — и в ультрафиолетовом, красном, инфракрасном диапазонах. Семь цветов спектра — это музыка, в слаженной мелодии которой не должно быть фальшивых нот! Мы поставили перед собой цель выявить спектр стрессового состояния растений на ранних фазах, чтобы предупредить болезнь, дать рекомендации по ее излечению.

Начало созданию биологической концепции стресса положил Ганс Селье в 1936 году. Одна из главных задач психики, по его мнению, это уравновешивание деятельности организма с изменяющимися условиями внешней среды. Но растение тоже живое, и стресс для него — серьезное потрясение.

— Как выяснить, находится ли растение «в стрессе» или нет?

— Для этого есть два пути: традиционный — оценка состояния его фотопоглощающей системы с помощью спектрограмм, и совершенно новый — анализ квантового потока света. Спектр растений мы начали изучать в 2009 году, когда приобрели два японских спектральных прибора нового поколения. Это довольно точный, но жесткий метод, поскольку приходится удалять для исследований листья. Растениям при этом наносится серьезный урон, но тогда других вариантов не было.

— Какова цель эксперимента? Что он может дать аграриям?

— Мы задались вопросом, как влияет соотношение пигмента на здоровье растений: зеленого (хлорофилла) и желтого (каротиноиды). В одиночку зеленый пигмент производить глюкозу не будет, нужна помощь желтого. От того, насколько слаженно работают эти составляющие, во многом зависит конечный результат фотосинтеза. Нужно, чтобы был баланс! Оценивая зелено-желтый ансамбль растения, мы можем прогнозировать его стрессоустойчивость, угрозу заболеваний.

Сравнивая полученные данные с расчетными, мы даем рекомендации, какой элемент спектра усилить, внести коррективы в питание и полив... А это поможет предотвратить потери урожая, обеспечить экологическую чистоту и качество овощей.

Квантовый светомер

— Есть ли альтернатива болезненной вивисекции растений?

— Чтобы избежать этого, мы предложили инновационный щадящий метод исследований: получаем спектрограммы при помощи квантометра, уникального прибора для исследования воздействия света на тепличные культуры. Теперь нет нужды обрывать листья, светомер и без этого показывает количество квантов, поступающих в растение. Энергия света вычисляется по известной формуле Планка.

Кому это «нано»?

— Как вы пришли к идее квантового анализа процесса фотосинтеза?

— Она родилась в 2015 году в Москве на международном семинаре, посвященном инновациям в освещении теплиц. Ученые голландской компании «Райкцван» рассказали о первых опытах применения квантометра для контроля света, поступающего к растениям в тепличных условиях. Но почему бы его не использовать и для выявления стрессовых состояний? Начало положено: мы одними из первых в России занялись квантовым прогнозированием болезней растений.

— А каков результат?

— Уже первые итоги исследований обнадеживают. Неслучайно ими очень заинтересовались ученые, работающие в сфере нанотехнологий. Нас пригласили на международную конференцию «От наноструктур, наноматериалов и нанотехнологий — к наноиндустрии», которая пройдет в Ижевске. Наши исследования хлоропластов, из которых состоит «фабрика жизни» на планете, позволят не только диагностировать растительный стресс, но и выбрать режим выведения из него, избежать потерь урожайности.

Спектральный анализ может принести реальную пользу, например, выявить в растениях наночастицы серебра, обладающего обеззараживающим эффектом. Но не менее важно обнаружить в них вредные вещества, защитить людей от этой угрозы.

Зеленая фабрика от Хироси-сан

— Как я слышал, вы уже выходите на общероссийский и даже международный уровень сотрудничества?

— Это так. По данным финских ученых, свет влияет на распределение сахаров в растении. А мы изучаем, как меняется в них содержание хлорофилла при изменении параметров освещения. Проводили и совместные эксперименты с японскими учеными в лаборатории кафедры в рамках международного проекта «Экофабрика зеленых растений», проводимого международным общественным движением  ERAECO под эгидой UNESCO и Центра международного сотрудничества ЮНИДО. За инновации в производстве экологически чистой продукции наша творческая команда в прошлом году отмечена национальной премией ERAECO.

— Что дает этот инновационный проект в «световом» разрезе?

— Его главная цель — всесезонное производство овощей многоярусным методом. Вместе с профессором университета города Киото Хироси Симизу мы апробировали технологии, снижающие энергозатраты на выращивание овощей, повышающие отдачу теплиц. Один из секретов — применение энергосберегающего светодиодного освещения. Оно в разы экономичней, лучше подходит для многоярусной технологии: светодиоды не нагреваются, не сжигают листья. Причем светодиоды можно разместить как сверху, так и снизу яруса, обеспечить равномерную подсветку. Но главное, они позволяют подобрать нужный спектр освещения, дать растениям энергию жизни. Мы тестируем эту инновационную систему.

Коронный разряд и лазерная пушка?

— Есть ли в вашем научном арсенале другие технологии next?

— В «зеленой» диагностике применяем рентгено-флюоресцентный анализ. Рентгеновские волны помогают определить содержание в растениях магния, кальция, других полезных элементов (например, в листьях — обеспеченность питательными веществами). Для этого исследуется зола — продукт воздействия рентгеновскими лучами. Если нужно, вносим изменения в состав раствора, вместо почвы питающего корни растений при гидропонном методе. К слову, при помощи рентгеновского анализа подбираем отечественные субстраты, во многом не уступающие дорогим голландским аналогам.

Чтобы снизить расходы на экспериментальный подбор нужного диапазона подсветки, используем математическое моделирование, прогнозируем результат. Наши исследования как бы на стыке математики, химии, физики, биологии, и мы привлекаем ученых смежных профилей.

— Но у света, как говорится, дорога без конца. Вам есть куда двигаться дальше?

— Конечно. Мы можем помочь с усовершенствованием технологии лазерной обработки семян (они быстрее прорастают), разработанной профессором Госсельхозакадемии им. Тимирязева Алексеем Башиловым, основателем российской школы фотоники. Могли бы поучаствовать и в проекте Санкт-Петербургского агроуниверситета по изучению влияния светодиодной подсветки на выращивание меристемного картофеля из клеточной биомассы. Хотелось бы совместить исследования воздействия на растения светом и электромагнитным излучением с применением коронного разряда, создающего свечение (так называемые огни святого Эльма). Много интересного может дать изучение импульсного освещения, поляризованного света — с выделением волн, имеющих ориентацию вектора напряженности.

Обычный, казалось бы, свет может преподнести немало сюрпризов, стать лучом прорыва в будущее для аграрной науки и сельхозпроизводства.