XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Влияние режима освещённости на скорость роста и развития картофеля на раннем этапе вегетации

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Ефимов С.А. 1

---

1ГБОУ Московской области «Одинцовский «Десятый лицей»

Осипова О.А. 1

---

1ГБОУ Московской области «Одинцовский «Десятый лицей»

Работа в формате PDF

1.3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Производство картофеля в Российской Федерации составляет около 20 млн. тонн в год. При этом, согласно данных Росстата более половины этого объёма производится в личных хозяйствах населения [1].

Вместе с тем, урожайность картофеля в личных хозяйствах существенно ниже, чем у организаций и ИП и составляет соответственно около 150, 300 и 250 тонн/га. Безусловно, что такая разница обусловлена существенно отличающимся уровнем использования техники и средств автоматизации процессов возделывания данной сельскохозяйственной культуры, применения минеральных удобрений и средств защиты растений.

Однако на урожайность оказывают влияние и внедряемые прогрессивные методы агротехнологии.

В этой связи основной целью исследования было изучение влияния режима освещённости (предмет исследования) на скорость роста и развития картофеля на раннем этапе вегетации (объект исследования).

Для достижения данной цели решались следующие задачи:

• ознакомиться с существующими точками зрения на вопрос влияния уровня освещённости на скорость роста картофеля на раннем этапе вегетации;

• экспериментально оценить на качественном и количественном уровне влияние режима освещённости на формирование корневой системы (включая столоны) и побегов картофеля.

Работа выполнялась в три этапа: обзор литературы по теме исследования, яровизация (проращивание) картофеля в 5 экспериментальных (опытных) группах и выращивание растений картофеля до возраста 18-22 суток.

Научная новизна: проведено сравнительное (по вариантам эксперимента) определение показателей абсолютной и удельной (в % к массе побегов) массы корневой системы (включая столоны) и побегов (в % к массе клубня) в возрасте 18-22 суток и установлено влияние режима освещённости на эти показатели.

Практическая значимость: полученные результаты могут быть использованы в совершенствовании образовательного процесса в школах и ВУЗах. Данные по качественному и количественному изучению развития корневой системы и системы побегов на раннем этапе вегетации могут быть использованы в научных исследованиях, а также – при разработке биотехники яровизации (проращивания) картофеля в агрокультуре.

Раздел I. Обзор литературы

Картофель принадлежит к роду Solanum L. Семейства Solanaceae (пасленовые). Это многолетнее травянистое растение, размножаемое вегетативно: клубнями или их частями, ростками, черенками, отводками.

При выращивании из семян образуется росток с двумя семядолями (выносимыми на поверхность почвы) и зародышевый корень, несущий многочисленные мелкие корешки (рисунок 1). Кроме зародышевого корня, образуются и вторичные корешки, закладывающиеся в основании стебелька, в его узлах, находящихся под землей. Корневая система растения состоит из главного, стержневого корня и боковых корней. Выращивание до клубнеообразование длится достаточно долго – около 100 суток и в результате его образуется очень мелкий клубень массой около 20 г. В этой связи данный метод в сельскохозяйственном производстве не используется [2].

При выращивании из клубня, стебель развивается из его глазка (почки). Зародышевого корня в этом случае не образуется, поскольку клубень – это видоизменённый побег и сами клубни не несут нормальных корней. Вторичные корешки возникают в узлах стебля, в его основании или в столонах и располагаются обычно группами, по три четыре вместе. Корневая система вегетативно размножаемого растения включает мочковатые корни: ростковые (первичные), видимые на световых ростках в виде корневых бугорков; пристолонные, расположенные группами по четыре-пять у основания каждого столона, и столонные корни, растущие группами по длине столонов.

Плодом картофеля является двухгнездовая ягода с большим количеством мелких семян.

а) б)

Рисунок 1. Развитие картофельного растения: а) – из семени, б) – из клубня

Сам клубень, как уже указывалось выше, представляет собой видоизменённый побег (стебель). В раннем возрасте на клубне наблюдаются мелкие чешуйчатые листочки, которые по мере его роста атрофируются, а их листовой след образует рубец – бровь. В пазухах чешуйчатых листочков закладываются покоящиеся почки, образующие так называемые «глазки». В каждом из них расположено по три почки и более, из которых прорастает одна, а остальные развиваются лишь при повреждении основной. Глазки на клубне расположены спирально, преимущественно в верхней части. Почка клубня состоит из конуса нарастания с зачатками листьев пазушных почек и зачатков корешков. При прорастании клубня из покоящихся почек глазков образуются ростки. В темноте они тонкие, длинные, этиолированные, иногда красно-фиолетовые или сине-фиолетовые разной интенсивности. На свету образуются короткие, крепкие окрашенные ростки.

Существуют диаметрально противоположные точки зрения на режим освещённости при яровизации картофеля – от режима дневной освещённости и использования искусственного освещения до обеспечения полного затемнения в ходе этого процесса [3, 4, 5].

Сторонники «тёмного» метода полагают, что основное негативное влияние освещённости при яровизации картофеля заключается в следующем:

• освещённость продолжительностью до 8 часов подавляет рост побегов – они становятся короткими и толстыми. Снижается синтез ауксинов, ростовых фитогормонов и вырабатываются фитогормоны, сдерживающие рост;

• всходы появляются позднее, чем в темноте;

• клубни образуются на подземном, этиолированном побеге – столоне, которому не нужен свет и фотосинтез. Чем длиннее белый побег, тем больше образует столонов, а значит – клубней;

• растения могут быть ослаблены, а клубни непригодными для длительного хранения ввиду того, что при проращивании в темноте легче выявить слабые клубни, поражённые заболеваниями (например, фитофторой).

Аргументации сторонников яровизации в условиях освещённости в большей степени сводится к тому, что побеги получаются более толстые и крепкие, фотосинтетическая активность зелёной массы даёт достаточное количество питательных веществ подземной вегетативной массе, что в конечном итоге, ведёт к росту урожайности.

Необходимо отметить, что в последние годы активно развивается микроклонирование (клональное микроразмножение) безвирусного картофеля «invitro» с целью получения устойчивого к болезням посадочного материала. И многочисленные исследования [6, 7, 8] показали, что применение диодной подсветки со специальным красным и синим спектром света позволяет повысить число побегов и корней по сравнению с дневным освещением или иной подсветкой (лампы дневного света, люминесцентные лампы и т.п.).

Вместе с тем, известно, что, если длина светового дня посредством фотосинтеза оказывает влияние на рост вегетативной массы растения (побеги, листья, корни), то интенсивный рост столонов происходит в условиях короткого дня конца лета-начала осени [9].

С целью изучения качественных и количественных отличий картофеля при его яровизации в условиях различного уровня освещения и был поставлен настоящий эксперимент, включавший в себя два этапа: оценка качественных отличий и оценка количественных отличий.

Раздел. 2 Материал и методы

В ходе выполнения научного исследования использовались следующие методы: метод научного эксперимента и метод литературного поиска и анализа.

Выращивание картофеля осуществлялась в нескольких повторностях:

• Первая повторность продолжалась до возраста растения 22 суток (группы I, II a, III).

• Вторая повторность продолжалась до возраста растения 18 суток (группы I, I a, II, II a, III).

Для исследования были отобраны клубни картофеля близкого размера и массы с начавшими прорастать побегами, хранившиеся в условиях неотапливаемого подвала при средней температуре 10-13 ºС (рисунок 2). Клубни были разделены на следующие группы (рисунок 3):

• I группа – яровизация и выращивание осуществлялись в полной темноте.

• Ia группа – яровизация осуществлялась в полной темноте, а выращивание – в режиме дневного освещения.

• II группа – яровизация и выращивание осуществлялись при искусственном освещении (фитолампа) с продолжительностью подсветки 16-17 часов в первой повторности и 12-13 часов – во второй повторности.

• II а группа – яровизация и дальнейшее выращивание осуществлялись в режиме дневной освещённости (10,5-11,5 часов) с ежедневной досветкой в тёмный период фитолампой в течение 3-4 часов.

• III группа – яровизация и дальнейшее выращивание осуществлялись в режиме дневной освещённости: 8,5-10 часов в первой повторности и 10,5-11,5 часов – во второй.

Все группы проращивались в ёмкостях одинакового объёма с регулярным увлажнением почвы, по мере её высыхания.

Рисунок 2. Материал для проведения эксперимента

а) б) в)

Рисунок 3. Условия проращивания и выращивания опытных групп (а – полная темнота, б – искусственное освещение, в) – естественное освещение)

Материально-техническое обеспечение исследования: электронные весы Tefal optiss до 5,0 кг с точностью взвешивания +- 1,0 г; электронный штангенциркуль с точностью измерения +- 0,01 мм (рисунок 2), сантиметр, полиэтиленовые ёмкости для выращивания орхидей объёмом 1,4 л, подготовленный грунт, фитолампа «ЭкоТек» мощностью 6 Вт (рисунок 4).

Рисунок 4. Использованные материалы и оборудование

Раздел 3. Результаты и обсуждение

3.1 Качественные отличия корневой системы и побегов при яровизации клубней картофеля в условиях разного режима освещённости.

Первый этап эксперимента – появление устойчивых всходов во всех группах – длился 10 суток (31.01.2025 – 10.02.2025 г.) в первой повторности и 8 суток – во второй (25.02.2025 – 05.03.2025 г.). За этот период освещённость в группах составила:

Несмотря на то, что, изначально, при высадке в грунт в первой повторности, побеги в варианте I были длиннее, чем в двух других вариантах, прорастание побегов (яровизация) в группе II произошло раньше – на 9-ые сутки (2 побега), в группах I и III – на 10-ые сутки (Приложение 2, рисунки 5, 6)

Во второй повторности, яровизация началась намного раньше в группе I, I а (в темноте) и II – на 5-ые сутки опыта.

Из указанных наблюдений можно сделать вполне определённый вывод – режим освещённости не оказывает влияния на продолжительность яровизации.

Развитие корневой системы визуально на этапе яровизации в первой повторности протекало гораздо более быстрыми темпами в группах II и III, чем в группе I – корни имели большую толщину (Приложение 2, рисунок 7).

Во второй повторности, первые видимые признаки роста корневой системы были отмечены у групп I, I a и II. Но к моменту окончания яровизации, как и в первой повторности в группах II, II a и III визуально корневая система была более разветвлённой, и корни имели большую толщину, чем в группах I и I a, яровизация которых проходила в полной темноте. Таким образом, можно сделать предварительный вывод, что на этапе яровизации режим освещённости оказывает влияние на развитие корневой системы и в группах, проращиваемых в условиях полного затемнения, она менее развитая.

Основные результаты и выводы первого этапа эксперимента:

1. Установлено, что уровень освещённости не оказывает влияния на продолжительность яровизации, которая может протекать даже быстрее в условиях полного затемнения.

2. Наиболее развитая корневая система в ходе яровизации формируется при естественном уровне дневного освещения продолжительностью 8,5-11,5 часов, а также в условиях искусственного освещения продолжительностью 11-17 часов.

3.2 Качественные и количественные отличия корневой системы и побегов при выращивании растений картофеля в условиях разного режима освещённости.

Второй этап эксперимента, связанный с определением качественных и количественных отличий на этапе выращивания растений в опытных группах, продолжался в период 11-22.02.2025 г в первой повторности и в период 06-15.03.2025 г – во второй повторности.

За этот период освещённость в группах составила:

Помимо количественных, на данном этапе были также отмечены и некоторые качественные различия.

Так, рост стеблей в варианте II в первой повторности (полностью искусственное освещение) осуществлялся в большей степени в длину – стебли вытягивались в направлении источника освещения и листья имели гораздо меньшую площадь (Приложение 2, рисунок 8). Однако результаты данного варианта во второй повторности показали, что при окончании опыта в возрасте 18 суток этот эффект отсутствовал. Вместе с тем, и в первой и во второй повторностях в данном варианте был получен достаточно стабильный результат по удельному показателю корневой массы относительно массы побегов. Этот показатель во II группе был высок в обеих повторностях. Кроме того, внутри каждой из повторностей эта группа занимала устойчивые позиции по удельному количеству столонов от общего числа корней.

Побеги в группе II в отличие от остальных вариантов, получавшие только искусственный свет имели менее интенсивную зелёную окраску (ближе к салатовой в отличие от тёмно-зелёных стеблей остальных групп, за исключением группы I).

Всё это, по нашему мнению, свидетельствует о недостатке на определённом этапе вегетации искусственного освещения по всей длине стебля для нормальной фотосинтетической активности растения.

Интересно также, что после помещения растений из группы I а (полная темнота) в условия дневного освещения уже на следующий день стебли утолщались и зеленели, что говорит о резком повышении интенсивности жизнедеятельности клеток камбия и росте фотосинтетической активности клеток стебля (Приложение 2, рисунок 9). Корневая масса оставалась относительной невысокой до самого окончания эксперимента и корни в этой группе имели наименьшую толщину, общую и относительную массу в первой повторности и во второй повторности (Приложение 1; Приложение 2, рисунок 10). При этом, однако, количество их было существенно выше, чем в группе I c полным затемнением. По нашему мнению, это связано с ростом фотосинтетической активности и необходимостью добывания большего количества минеральных веществ.

Использование дополнительной досветки в группе II а с основным режимом дневного освещения не привело к существенным изменениям по сравнению с группой дневного освещения III.

Группа дневного освещения характеризовалась нестабильностью результатов. При этом, результаты в первой повторности, характеризовавшейся меньшей продолжительностью светового дня, были существенно лучше в отношении роста корневой массы.

Если говорить об абсолютных показателях, то наибольшая вегетационная масса побегов и в первой, и во второй повторностях была получена в группах с полностью дневным и полностью искусственным освещениям (II и III).

Наибольшая абсолютная корневая масса была получена также в этих группах и группе I (полная темнота). Это объясняется отсутствием подавления фитогормонов роста ауксинов, наблюдаемого при фотосинтезе При этом с учётом того, что листовая масса в группе I была практически неразвита ввиду отсутствия фотосинтеза масса и длина побега являлась, по сути, наибольшей среди всех групп (без учёта листовой массы). А корни были наиболее развиты – имели наибольшую длину, существенно превышающую длину стебля (43,8 и 58 см соответственно) – Приложение 2, рисунок 11. И при наименьшем среди всех групп количестве (всего 19 корней и столонов) имели одни из наибольших в группах показатели абсолютной и удельной корневой массы. Вероятно, это связано с тем, что рост числа корней связан с фотосинтетической активностью, тогда как, рост их длины и толщины обеспечивается запасами крахмала в клубнеплоде.

Следует отметить, что относительно невысоким среди опытных групп было количество корней и в группе I а, которая после яровизации в условиях полной темноты, переводилась на дневное освещение.

В этой связи представляется перспективным рассмотреть вопрос об использовании в полевых условиях полного затемнения на этапе яровизации и раннего подращивания картофеля (например, укрывной тёмный материал) в течение первых двух-трёх недель агрокультуры. С одной стороны, это позволит сформировать мощный побег и корневую систему. А с другой – снизить образование почвенной корки и улучшить газообмен для лучшего развития столонов. Для разработки такой оптимальной технологической схемы, необходимо проведение эксперимента в полевых условиях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Продолжительность яровизации картофеля не зависит от режима освещённости и составляет 6-10 суток.

2. Наиболее высокая абсолютная масса побегов с листьями была характерна для групп II и III (полностью искусственная и полностью естественная освещённость). При этом наибольшей длиной обладал побег, выращиваемый в условиях полной темноты, что объясняется отсутствием подавления фитогормонов роста ауксинов, наблюдаемого при фотосинтезе.

3. Развитие корневой системы, как на этапе яровизации, так и при дальнейшем выращивании более интенсивно протекает в условиях естественной и искусственной освещённости. При этом, однако, в условиях полной темноты при относительной небольшой численности закладываются наиболее крупные корни и столоны.

4. Использование искусственного освещения на этапе яровизации и раннего выращивания даёт более стабильный результат по вегетационной массе в сравнении с использованием дневного света.

5. При изменении условий освещённости от полной темноты при яровизации до дневного освещения при раннем подращивании в течение суток происходит озеленение и утолщение стебля, а в дальнейшем – увеличение количества корней. Это связано с ростом фотосинтетической активности и необходимостью поиска в большем объёме для обеспечения фотосинтеза минеральных веществ.

С учётом изложенного, наиболее оптимальной схемой агрокультуры картофеля, представляется его яровизация и ранее выращивание (2-3 недели) в условиях полного затенения (например, использование специальных тканевых материалов) и дальнейшее выращивание в условиях дневного освещения. Данная схема требует проверки в условиях полевого эксперимента.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. https://rosstat.gov.ru/folder/11110/document/13277 (дата обращения: 27.02.2025 г.)

2. Елисеев С.Л. Растениеводство: учебное пособие. В 3 ч. Ч. 2: Технические культуры и картофель / С.Л. Елисеев, Е.А. Ренѐв; под ред. С.Л. Елисеева; Мин-во с.-х. РФ, федеральное гос. бюджетное образоват. eчрежден/ высшего проф. образов. «Пермская гос. с.-х. акад. им. акад. Д.Н. Прянишникова». – Пермь: ИПЦ «Прокростъ», 2014. –109 с.

3. https://7dach.ru/NatashaPetrova/temnye-dela-kak-proraschivat-kartoshku-v-temnote-ili-na-svetu-166174.html (дата обращения: 10.02.2025 г.).

4. https://dzen.ru/a/ZiR0minCBHoXwcg6?ysclid=m6z85qtues940539426 (дата обращения: 10.02.2025 г.).

5. https://lifenatural.ru/archives/6422 (дата обращения: 10.02.2025 г.).

6. Лисина Т.Н., Бурдышева О.В., Шолгин Е.С. Влияние светодиодного освещения различного спектра на растения картофеля (Solanum tuberosum L.) при выращивании in vitro (обзор). Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2023;24(6):913-923.

7. Варушкина, А.; Луговская, Н.; Максимов, А. Рост и продуктивность картофеля (Solanum Tuberosum L.) в условиях светокультуры. ВПФИЦ 2019, No. 2, 37-46.

8. Кононенко А.Н. Влияние различных источников света на развитие мини-растений картофеля в условиях светокультуры // Изв. С.-Петерб. гос. аграр. ун-та. - Санкт-Петербург, 2016; N 45. - С. 50-56

9. https://min.urgau.ru/images/2023/6-2023/17-6-2023.pdf (дата обращения: 16.03.2025).

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Результаты количественных измерений экспериментальных групп

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Фотоматериалы

а) б) в) г)

Рисунок 5. Корневая система и побеги на 9-ые сутки эксперимента (первая повторность): а) группа I, б) – группа II, в) – проросшие побеги в группе II, г) – группа III

а) б) в)

Рисунок 6. Побеги на 10-ые сутки эксперимента (первая повторность): а) группа I, б) – группа II, в) – группа III.