ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ СЕМЯН ПШЕНИЦЫ ПОСЛЕ ОБЛУЧЕНИЯ КОГЕРЕНТНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

Введение

В последнее время неуклонно растет интерес к изучению воздействия когерентного излучения на растительные организмы. Интерес к данной проблеме обусловлен как необходимостью уточнения фундаментальных аспектов взаимодействия излучения с биосистемой, так и прикладными задачами [1,2]. Так, взаимодействие когерентного излучения с растительными организмами приводит к определенным фотобиологическим реакциям.

Процессы взаимодействия когерентного излучения с растительными организмами сложны и в настоящее время до конца не исследованы. В общем случае взаимодействие когерентного излучения с биологическим объектом определяется как параметрами самого излучения (частотой и длиной волны, когерентностью и поляризацией, интенсивностью и др.), так и свойствами биосистемы как среды распространения электромагнитных полей (диэлектрической проницаемостью, электрической проводимостью, собственной биоэлектрической активностью ткани и т.д.) [3,4]. Значительный экспериментальный и теоретический материал, накопленный к настоящему времени, свидетельствует, что в биологических тканях под влиянием электромагнитных излучений реализуются многие известные в физике эффекты, связанные с поляризацией, прямой и отрицательной проводимостью биологических структур, генерацией собственных ЭМ-колебаний, пьезоэффектами, фотопроводимостью и др. [5,6]. Поэтому изучение биологического действия низкоинтенсивного лазерного излучения на растения может представлять интерес не только для выявления оптимальных условий для его применения в практических целях, но и для исследования фундаментальных закономерностей действия света на растительные организмы.

Таким образом, изучения люминесцентных свойств растительных организмов особенно актуальна в связи с тем, что оптические характеристики растительных организмов могут дать информацию об их физиологическом состоянии и свойствах.

В настоящей работе представлены результаты исследования влияния когерентного излучения на люминесцентные свойства семян пшеницы.

Методика эксперимента

Семена пшеницы селекционной формы облучали в воздушно-сухом состоянии. Семена пшеницы проращивали в чашках Петри на влажной фильтровальной бумаге при температуре 22 °С. Число повторений равнялось 5. В каждом повторении опыта использовалось 100 семян. Прорастание семян пшеницы контролировалось ежедневно. Семя считалось проросшим, если у него был росток и корень, хотя бы 1 см и не было выявлено признаков поражения инфекцией. Контрольные и облученные семена находились при постоянной температуре и влажности.

Облучение семян пшеницы монохроматическим излучением проводилось с помощью непрерывного полупроводникового лазера с длиной волны генерации λ_ген = 650 нм. Плотность мощности облучения в рабочей зоне составляла 2,3 мВт. Плотность мощности излучения регистрировали с помощью измерителя лазерного излучения ИКТ-1Н. Время экспозиции составляло 10-900 сек.

Регистрация спектров возбуждения и флуоресценции исследуемых образцов осуществлялось на спектрометре СМ2203 (Solar). Спектры возбуждения и флуоресценции семян пшеницы были измерены в держатели для твердых образцов. Относительная погрешность спектральных измерений на спектрофотометре СМ2203 не превышает 2%. Точность измерения спектров поглощения составляет ±2 нм, а точность измерения спектров флуоресценции ±1 нм.

Результаты и их обсуждение

На рисунке 1 показаны спектры возбуждения и люминесценции семян пшеницы. Из рисунка видно, что спектр возбуждение имеет максимум на длине волны λ = 436 нм. Фотовозбуждение люминесценции семян пшеницы осуществлялось на длине волны равной λ = 440 нм. Спектр люминесценции семян пшеницы имеет максимум на длине волне λ_макс= 505 нм и полуширину = 72 нм.

Рисунок 1.Спектры возбуждения и люминесценции семян пшеницы

На рисунке 2 представлена зависимость интенсивности излучения семян пшеницы после воздействия лазерного излучения различной длительности. Из рисунка видно, что при фотовозбуждении семян пшеницы наблюдается рост интенсивности свечения. Интенсивность свечения семян пшеницы увеличивается до некоторого критического значения (t = 240 с), а дальнейшее увеличение временя облучения семян приводит к снижению интенсивности люминесценции. Положение максимума полосы и ее полуширина не меняются (таблица 1). Согласно [7] причиной усиления люминесценции биосистем растения является увеличение скорости ферментативной реакции. Уменьшение интенсивности люминесценции семян пшеницы при длительном облучении вероятно связано с угнетающим действием лазерного излучения [8].

Рисунок 2. Зависимость интенсивности излучения семян пшеницы от длительности лазерного облучения (λ_ген = 650 нм)

Таблица 1.

Влияние когерентного излучения на характеристики люминесценции семян пшеницы

На рисунке 3 показаны зависимости всхожести и энергии прорастания семян пшеницы от длительности лазерного облучения. Из рисунка видно, что всхожесть и энергия прорастания семян пшеницы от времени облучения имеет несколько экстремумов. Всхожесть семян пшеницы увеличивается по мере длительности облучения. Данный показатель существенно меняется, начиная с длительности облучения 30 сек. Максимальное значение всхожести и энергии прорастания семян достигает при времени облучения 30, 160, 240 с. При этом всхожесть семян по сравнению с контролем (88,0 %) увеличилась на 12,0 % и составила 100,0 % (рисунок 3 а). Полученные результаты по энергии прорастания семян пшеницы от времени облучения показали аналогичную зависимость (рисунок 3 б). Для всех кривых максимум перегиба наблюдается практически при том же времени облучения. Относительное увеличение значений также остается, примерно, одинаковым. Нелинейная ответная реакция семян пшеницы на воздействие когерентного красного излучения связана с длительностью облучения и не подчиняется дозовому закону Бунзена – Роско. Нарушение закона Бунзена – Роско в ответной реакции на растительные организмы было показано в работах [9, 10]. Дальнейшее увеличение длительности облучения приводит к уменьшению всхожести и энергии прорастания семян пшеницы. Снижение стимуляционного эффекта после достижения предельного значения связано с насыщением и угнетением клеточного метаболизма при лазерном облучении с большей длительностью [11, 12].

Рисунок 3. Зависимость всхожести и энергии прорастания семян пшеницы от длительности лазерного облучения

Заключение

Таким образом, проведенные исследования показали, что при облучении семян пшеницы интенсивность люминесценции увеличивается. Максимум интенсивности свечения наблюдается при времени облучения 240 с. Дальнейшее увеличение времени облучения приводит к тушению интенсивности свечения. При этом положение максимума полосы и ее полуширина не меняются. Зависимость биологического эффекта от длительности облучения имеет многомодальный вид с чередующимися максимумами и минимумами стимуляционного эффекта. Максимальное значение всхожести и энергии прорастания семян достигает при времени облучения 240 с. При этом, всхожесть семян по сравнению с контролем увеличилась на 12,0 %. Полученные результаты по энергии прорастания семян пшеницы от времени облучения показали аналогичную зависимость.

Список литературы:

1. Chamovitz, D.A. Light Signaling in Plants / D.A. Chamovitz, JO X. -W. Deng // Critical Reviews in Plant Sciences.-1996. - V. 15. - P. 455-478.
2. Будаговский, А.В. Управление функциональной активностью растений [Текст]: дис. д-ра техн. наук: 05.20.02 / А.В. Будаговский. - М., 2008. -369 с.
3. Бецкий О.В., Кислов В.В. Волны и клетки. М., 1990.
4. Walleczek J. Electromagnetic field effects on cells of the immune system: the role of calcium signaling. FASEBJ., 1992, 6: 3177-3185.
5. Кузмичев В.Е., Каплан М.А., Чернова Г.В. Биологические эффекты низкоэнергетического лазерного излучения и нелинейное возбуждение биомолекул. Физическаямедицина, 1996, 5(1): 65-69.
6. Chang, J.J. Communication between dinoflagellates by means of photon emission / J.J. Chang, F. - A. Popp, W.D. Yu // Biophotonics. M: Biolnform Services, Co, 1995. - P. 317-330.
7. Владимиров Ю.А. Сверхслабые свечения при биохимичес- ких реакциях. М.: Наука, 1966.
8. Жаров В.П., Кару Т.Й., Литвинов Ю.О., Тифлова О.А. Квантовая электроника, 14, 2135 (1987)
9. А.В. Будаговский, Н.В.Соловых, О.Н. Будаговская, И.А. Будаговский  Реакция растительных организмов на воздействие квазимонохроматического света с различными длительностью, интенсивностью и длиной волны // Квантовая электроника, 45, № 4 (2015)
10. Юрина Н.П., Мокерова Д.В., Одинцова М.С. Светоиндуцируемые стрессовые белки пластид фототрофов // Физиол. Растений, – 2013. – т.60, N5. – С.611–624.
11. Тифлова О.А. Радиобиология, 33 (3), 323 (1993).
12. Федулов Ю.П. В сб. Физиология зерновых культур в связи с задачами селекции (Краснодар: НИИСХ, 1980, Вып. 23, с. 40).