Влияние космических факторов на посевные качества семян и развитие пшеницы сорта «Суперкарлик»

Влияние  космических факторов  на посевные качества семян и развитие  пшеницы  сорта «Суперкарлик»

Введение

I.Литературный обзор

1.Характеристика пшеницы

2.Состав пшеницы

3.Выращивание пшеницы в космосе

4.Эксперимент на «Бионе-М» №1

II.Экспериментальная работа

Заключение

Источники информации

Введение

Целью настоящих исследований является изучение  влияния космических факторов  на посевные качества семян и развитие  пшеницы  сорта «Суперкарлик».
Прикладная цель заключается в получении новых сортов пшеницы с большей урожайностью.

В соответствии с поставленными целями решались следующие задачи:

• определить посевные и  урожайные качества семян;
• определить химический состав и технологические свойства зерна у сортов;
• выявить особенности развития коревой  системы  зародышевых корней у проростков пшеницы;
• сравнить  семенные и урожайные качества и свойства семян  «земной» и «космической» пшеницы.

Гипотеза: Факторы космического полета влияют на семенные и урожайные качества и свойства семян пшеницы.  

По продовольственной значимости и масштабам производства ведущее место занимает пшеница. Производство этой культуры на всех континентах составляет 615 млн. тонн. На долю пяти стран: Канады, США, Китая, Индии, и России приходится около половины производства пшеничного зерна. Кроме продовольственного направления, озимая пшеница представляет большую кормовую ценность. Пшеничные отруби с большим содержанием переваримого протеина – хороший корм для всех видов сельскохозяйственных животных. Для грубого корма скоту используют солому и мякину, солому также применяют в качестве строительного материала, для подстилки животным, изготовлении бумаги и так далее.

Мировое производство зерновых      культур

Причины  уменьшения производства пшеницы в России: неблагоприятные погодные условия,  истощение почв.

Выход: создание  новых сортов пшеницы с  высокими показателями урожайности.

 I.Литературный обзор

1.Характеристика пшеницы

 Пшеница мягкая, или обыкновенная, по латыни — Triticum vulgare. Это однолетнее травянистое растение семейства мятликовых. Стебель 45–200 см высотой, полый, голый. Листья линейные, плоские, на месте перехода от листового влагалища к листовой пластинке имеют язычок и ушки, последние часто с ресничками. Колос рыхлый, двухрядный, четырехгранный, с гибким стержнем. Колоски сидят на выступах стержня поодиночке и содержат по 3–5 цветков, из которых только 2–3 дают зерна. Створки колосков яйцевидные, продольно-морщинистые, широкие, вздутые, на верхушке притупленные и снабженные коротким широким зубцом.

         Зерновки овальные или удлиненно-яйцевидные, с ясно выраженным хохолком и продольной бороздкой на спинке, 1–1,5 см длиной, 0,3–0,5 см шириной, беловатые или красноватые, в сечение округлые или округло-треугольные, мучнистые, полустекловидные или стекловидные, без запаха.

         Из культурных видов широко распространены только два вида — мягкая и твердая пшеницы, среди них наиболее часто возделывают мягкую пшеницу — озимую и яровую.

         Центром происхождения культурной формы пшеницы считают нынешнюю территорию Грузии, где найдено большинство диких видов пшеницы.

         Твердая пшеница имеет плотный колос с длинными, превышающими длину колоса остями, колосковые чешуи кожистые, с широкими, хорошо выраженными зубцами. Наиболее ценны кустистые, с крупными колосьями формы твердой пшеницы.

         Высушенные зерна пшеницы используют в качестве сырья.

         Из пшеницы получают муку, крупу, спирт, крахмал, клейковину; из зародышей зерна — масло. Пшеничные отруби идут на корм скоту и птице, а солома — на подстилку, на производство газетной бумаги и картона.

         2.Состав пшеницы

         Наиболее важным веществом зерна пшеницы является белок. Его содержание в зерне пшеницы в среднем составляет: в мягкой озимой пшенице — 11,6 %, в мягкой яровой — 12,7 %; в твердой — 12,5 % при колебаниях от 8,0 до 22,0 %. При низком содержании общего белка (ниже 11 %) в пшенице формируется недостаточное количество клейковинного белка.

         Клейковинный белок предопределяет технологические свойства зерна и выработанной из него муки. Только при высоком количестве сырой клейковины (25 % и выше) и хорошем ее качестве можно получить пышный, вкусный и полезный хлеб. Уникальная способность клейковинных белков образовывать комплекс, называемый клейковиной, предопределила ведущую роль пшеницы среди всех зерновых культур.

         Клейковина — это нерастворимый в воде упругоэластичный гель, образующийся при смешивании размолотого зерна пшеницы или муки с водой, содержание белка в котором составляет 98 %, небольшое количество углеводов, липидов и минеральных веществ. В сырой клейковине содержится 64–66 % воды.

         Основную массу зерна пшеницы составляют углеводы. Они играют большую энергетическую роль в питании человека. В зерне пшеницы углеводы в основном представлены крахмалом, который составляет в зерне пшеницы в среднем 54 %, при колебаниях от 48 до 63 %. Весь крахмал сосредоточен в эндосперме. Из углеводов кроме крахмала в зерне пшеницы имеется сахар. В нормальном полноценном зерне пшеницы содержание сахара составляет от 2 до 7 %. Сахар в основном присутствует в зародыше, а также в периферических частях эндосперма. Он используется зерном в первый период прорастания.

         Без наличия сахаров в зерне пшеницы и продуктах его переработки, в частности, в муке, невозможно было бы развитие дрожжей и молочнокислых бактерий при тестоведении.

         В зерне пшеницы имеются и другие углеводы. Например, клетчатка. Ее содержание в зерне пшеницы составляет в среднем 2,4 %, при колебаниях от 2,08 до 3,0 %.

         Клетчатка входит в состав цветочных пленок и клеточных стенок оболочек. Имея большую механическую прочность, клетчатка не растворяется в воде и не усваивается организмом. Поэтому при переработке зерна пшеницы в муку главной задачей технологов является удаление оболочек.

         Вместе с тем, клетчатка зерна пшеницы играет немалую роль в пищеварении: она регулирует двигательную функцию кишечника, способствуя этим снижению сердечно-сосудистых заболеваний, препятствуя ожирению человека. В связи о этим отруби, полученные при размоле зерна пшеницы, используют в качестве лечебного средства.

         Жиры и липиды составляют в зерне пшеницы в среднем 2,1 %, при колебаниях от 0,6 до 3,04 %. Жиры в зерне мягкой и твердой пшеницы сосредоточены преимущественно в зародыше и алейроновом слое и влияют отрицательно на сохранность зерна, поскольку они неустойчивы при хранении. Под воздействием ферментов они разлагаются водой с образованием свободных жирных кислот, которые окисляются до перекисей и гидроперекисей. В результате может происходить прогоркание жира, поэтому при производстве муки зародыш удаляют.        

 3. Выращивание пшеницы в космосе

На борту различных космических летательных аппаратов было проведено большое количество экспериментов с высшими растениями с целью изучения зависимости их основных характеристик от силы тяжести. К концу 80-ых годов  XX столетия с определенной уверенностью можно было говорить о том, что в невесомости могут нормально проходить все стадии развития растений.

Первый урожай космической пшеницы удалось получить российским космонавтам на борту орбитальной станции «Мир». В Институте медико-биологических проблем, специалисты которого в течение нескольких лет боролись с проблемой бесплодия злаковых в невесомости, считают, что единственным, что мешало пшенице размножаться, был этилен. Этот газ вырабатывается самими растениями, находящимися на корабле космонавтами, а также аппаратурой и полимерами. Абсолютно не опасная для человека концентрация этилена оказалась для пшеницы мощным противозачаточным средством. Под его воздействием первый подопытный сорт под названием «Суперкарлик» не только не дал потомства в космосе, но и несколько видоизменился — вместо обычных трех побегов на каждом его колоске было обнаружено по 5–7 отростков.

         Чтобы решить проблему, ученые решили подыскать новый, более стойкий к этилену сорт. Выбор был остановлен на детище американских ученых «Апогей». Это сорт, полученный путем скрещивания «Суперкарлика» с генетически сильным сортом «Парула». Несмотря на то, что колосья «гибрида» получились несколько выше, чем у прародителя, он отлично прижился в космической оранжерее. Уже через месяц после всхода колосьев на «Апогее» появились первые зерна. 500 штук были возвращены космонавтами на Землю, а 10 оставили на борту для продолжения эксперимента — получения второго поколения космических семян.

         По словам специалистов, изучивших возвращенные в лабораторию зерна «Апогея», по качеству они ничем не отличаются от земных и вполне пригодны для переработки в муку. Единственным не совсем приятным сюрпризом стало снижение количества зерен на колосьях. По всей вероятности, это произошло «благодаря» тому же этилену.

«Суперкарликовая» пшеница, контрабандой провезенная космонавтом Максимом Сураевым на борт МКС, впервые за всю историю выращивания растений на орбите дала урожай.  Сураев провез на станцию несколько зерен пшеницы «суперкарликового» сорта в ноябре прошлого года. Космонавт высадил зерна в станционной оранжерее в ходе планового эксперимента. Ученые, курирующие эксперименты на МКС с Земли, отдали распоряжение вырвать «нелегальные» колосья, однако Сураев отказался это сделать. «Простите, товарищи ученые, но я не смог! Она так классно растет!» — написал космонавт в своем блоге, который ведет с орбиты. Пока исследователи не могут однозначно сказать, почему пшеница дала урожай. По одной из версий, причиной успеха стало пониженное содержание загрязняющих веществ в атмосфере МКС. «Суперкарликовый» сорт очень чувствителен к загрязнениям воздуха, особенно к наличию в воздухе этилена. Обе неудачных попытки получить от «суперкарлика» зерна (по словам ведущего научного сотрудника Института медико-биологических проблем РАН Маргариты Левинских, вырастали «чудовища без зерна») проводились на борту станции «Мир». Дальнейшие исследования зависимости роста растений в космосе от содержания загрязнителей должны помочь ученым в подготовке длительных межпланетных миссий.        

3.Эксперимент на биоспутнике «БИОН-М» №1

Космический аппарат «Бион-М» №1 предназначен для проведения в орбитальном полете фундаментальных и прикладных исследований по космической биомедицине и биотехнологии в интересах совершенствования системы медицинского обеспечения длительных пилотируемых полетов и деятельности человека в экстремальных условиях, с возвращением результатов экспериментов на Землю.

Апрель 2013 года – закладка биологического  материала  в контейнер для последующего запуска на  биоспутнике «Бион-М»№1

Полет 19апреля-19 мая 2013

Факторы космического полета на «Бионе-М» №1

• микрогравитация
• ионизирующая радиация
• электромагнитное излучение
• вакуум

II. Экспериментальная работа

Исследования выполнены   на открытом воздухе, на даче в Подмосковье, и на базе  лаборатории ГБОУ СОШ №1413 в 2013 г.
Объектом исследований служили образцы семян пшеницы сорта «Суперкарлик», взятые с опытов, выполненных под руководством М.А. Левинских (ИМБП  РАН).  Семена  пшеницы принадлежали к двум группам: наземные семена  и семена, находившиеся 30 суток на биоспутнике «БИОН-М»№1(в дальнейшем будем называть «земная» и «космическая» пшеница).

В лабораторном опыте были определены следующие показатели: энергия прорастания и всхожесть семян (ГОСТ 12038-84), масса семян (ГОСТ 10842-84) и колоса, ширина и длина листа, высота  растения, наличие крахмала, а также развитие корневой системы и   зародышевых корней у проростков  пшеницы.

Ход эксперимента:

1.Посев семян для определения всхожести  прорастания и получения семян

Посадка-22.06.2013

Всход семян 25.06.2013

Всхожесть -100 %

Появление колосков-26.07.2013

Вызревание колоса - август 2013

2.Изучение  первичной корневой системы

В условиях  засухи, которая наблюдалась в 2010 в средней полосе России, одним из основных признаков адаптивности растений к этим климатическим условиям является быстрота нарастания зародышевых корней, что дает таким сортам ряд неоспоримых преимуществ.
При засухе ускоряется процесс старения и отмирания листьев, сокращается вегетационный период растений. Связь между развитием корневой системы, засухоустойчивостью и урожайностью не вызывает сомнений. Со способностью корней энергично усваивать влагу с разной глубины в наиболее ответственные фазы роста связано развитие всех органов и функций растения . В засушливых условиях характер корневой системы в селекции на засухоустойчивость должен рассматриваться как один из важнейших признаков. Однако изучение корневой системы взрослых растений является очень трудоемким и малопроизводительным, поэтому мы изучали   развитие первичной корневой системы на 14-дневных проростках.
Основной задачей наших исследований являлось определение уровня корнеобеспеченности проростка  пшеницы в целях возможно более правильного и быстрого отбора селекционного материала по этому показателю.
Методика исследований. Исследования проводились летом 2013 г.
Объекты исследования – семена пшеницы «Суперкарлик» селекции ВНИИЗК.
Параметры первичной корневой системы озимой пшеницы определялись по методу Н.А. Голуб.
Результаты. Исследованиями по развитию корневой системы  пшеницы установлено, что длина наибольшего корня «космической» пшеницы 10,3 см,а «земной» 9,95.  Корнеобеспеченность проростка изменялась в пределах от 1,13 до 2,13 отн. ед. (см. рисунок). Наибольшая величина корнеобеспеченности проростка  отмечена у  «космической» пшеницы

Параметры первичной корневой системы пшеницы сорта «Суперкарлик»

Абсолютно сухая масса корней одного растения больше у «космической «пшеницы»
Важность изучения показателей первичной корневой системы неоспорима, т. к. они отражают особенности корневой системы взрослых растений. По результатам проведенных исследований можно заключить, что величина изученных морфо-физических параметров зависит, в  каких условиях находился семенной материал до посадки.
По результатам исследований мы сделали вывод, что «космическая» пшеница  имеет более  высокие значения по всем параметрам первичной корневой системы

3.Лабораторные исследования

3.1.Определение основных характеристик растений.

Оборудование: Взрослые растения пшеницы, линейка, электронные весы.

Данные сравнительного анализа основных характеристик растений, выращенных  из «космических» и «земных» семян,  приведены в таблице №1.

Таблица №1

 Вывод: Из данных таблицы видно,  что основные отличия  заключались в том, что  «земные» растения  в среднем выше  и имеют более  развитый  лист, чем «космические» растения. При одинаковой массе  зерновки одного растения  побеги с тремя  колосьями, а также большее число зерновок в колосе (а значит и масса колоса) наблюдались у  «космических» растений.  

3.2.Определение содержания крахмала в зерновке

Качественной реакцией на крахмал является йод.

Оборудование: семена пшеницы, ступка, пестик, фильтровальная бумага, раствор йода в иодиде калия, пипетка

Ход эксперимента:

1.Измельчили зерна пшеницы в ступке

2. Для обнаружения крахмала в измельченных зернах пшеницы  использовали раствор йода в йодиде калия (Kl).

Вывод: Изменение окраски йода на фиолетовый цвет свидетельствует о содержании  крахмала в исследуемых образцах. Более интенсивная окраска наблюдалась в  измельченных зернах «космической»  пшеницы.

3.4.Определение  энергии прорастания и всхожести семян пшеницы нового урожая  2013 года

Ход эксперимента: Песок и нарезанную фильтровальную бумагу увлажнили перед раскладкой семян на проращивание. Из увлажненного субстрата подготовили ложе для проращивания,  затем вручную разложили семена пшеницы и покрыли слоем песка (ГОСТ 12038-84). К  всхожим относят нормально проросшие семена. Энергию прорастания и всхожесть определяют по числу проросших зерновок.

Вывод:

Общие выводы:

1.       В обоих случаях у семян, полученных в ИМБП РАН, наблюдалась  высокая всхожесть семян  -100%;

2.      Длительность полного цикла вегетации  не  отличается;  

3.      Семена,  побывавшие  в  открытом космосе, дали большее число побегов на 1 растение(33,3 % по 3 побега)

4.      «Земные»  семена дали более высокие побеги с более развитой листовой пластиной;

5.     «Космические» семена имеют большее  число зерновок в колосе, большую массу  колоса. Следовательно, большую урожайность.

6.      Первичная  корневая система  «космических»  растений  более развита;

 7.     Большую энергию прорастания и всхожесть  имеют «космические» семена, таким образом, космические факторы  положительно влияют на   посевные качества семян и развитие  пшеницы  сорта «Суперкарлик».

8.     Мы считаем, что семена пшеницы, находившиеся на борту биоспутника  «Бион-М»№1 пережили стресс, который вызвал  улучшение посевных качеств семян и развитие  пшеницы  сорта «Суперкарлик».



Источники информации:

 1.Голуб Н.А. Параметры первичной корневой системы озимой пшеницы / Н.А. Голуб // Физиология продуктивности и устойчивости зерновых культур. – Краснодар, 1988. – С.42–47.

2.Е.В. Ионова  Развитие корневой системы озимой твердой пшеницы в ювенильный период http://zhros.ru/num07(1)_2010/st5_ionova.html

3..http://biosputnik.imbp.ru/science_p4.html

4.http://www.federalspace.ru/8809/

5.http://www.edka.ru/article/edka/arti/space.htm

6.http://biosputnik.livejournal.com/ 

7.http://medical-diss.com/medicina/ontogenez-reproduktsiya-i-metabolizm-vysshih-rasteniy-v-usloviyah-kosmicheskogo-poleta 

8.http://www.myshared.ru/slide/197853/