The influence of an alternating magnetic field with a different signal shape on the morphometry and ontogenesis of Zea mays L.

Full Text

Введение

Изучение влияния физических факторов на растительные организмы является актуальной задачей как с точки зрения факториальной экологии, экологической биофизики, так и сельского хозяйства. С одной стороны, весьма важным является поиск механизмов действия фактора, а с другой – при этом поиске выделить экологически безопасные схемы обработки с целью повышения качества семенного материала и увеличения урожая. Так, были использованы способы предпосевной обработки физическими факторами семян растений, имевшие различные биологические эффекты [1–4]. При облучении биологических структур бобовых растений [1] полифакторным воздействием импульсного инфракрасного лазерного излучения, пульсирующего широкополосного инфракрасного излучения, красного излучения и постоянного магнитного поля с частотой повторения импульсов 1000 Гц и экспозицией 18–20 мин. на расстоянии 1–1,5 см от объекта, получены некоторые стимулирующие ростовые эффекты. При обработке семян одно- или двудольных растений низкочастотным (f = 1–6 Гц; B = 25 мТл; t = 1–48 часов) переменным магнитным полем низкой интенсивности добились стабильного повышения митотической активности меристем клеток [2]. Выявлен положительный эффект (12–37%) в зависимости от вида растений при воздействии постоянного магнитного поля (H = 25 эрстед, t = 3 суток), создаваемого катушками Гельмгольца [3]. Наиболее часто в литературе можно встретить информацию по биологическим эффектам сочетанного действия электромагнитного и переменного магнитного поля. Так, известно [4], что при комбинированном их воздействии на семена кукурузы сорта «Радуга» и «Волгоградская» (для ЭМП – f = 129 ГГц, t = 30 мин.; для ПеМП – B = 25 мТл и f = 2 Гц, t = 60 мин.) выявлены как морфометрические, так и онтогенетические стимулирующие эффекты (5 и 10% соответственно). Из приведенного небольшого обзора понятно, что биологические эффекты очень видоспецифичны, требуют точной методологии и зависят от параметров оборудования, что и определяет направление наших исследований [5–7].

Целью настоящей работы было исследование влияния переменного магнитного поля с различной формой сигнала на морфометрические показатели и онтогенез семян кукурузы сахарной (Zea mays L.) «Пролетарская» (элита).

Задачи:

1. Оценить влияние переменного магнитного поля с частотой 10–50 Гц и различной формой сигнала (треугольная, синусоида и меандр) на начальные стадии онтогенеза кукурузы сахарной (Zea mays L.) «Пролетарская» (элита).
2. Оценить влияние переменного магнитного поля с частотой 10–50 Гц и различной формой сигнала (треугольная, синусоида и меандр) на морфометрию надземной части и корневой системы кукурузы сахарной (Zea mays L.) «Пролетарская» (элита).
3. Выявить экологически безопасные параметры экспериментальной магнитной установки в качестве предпосевных схем обработки.

Материалы и методы

Объект исследования – семена кукурузы сахарной (Zea mays L.) «Пролетарская» (элита).

 

Рисунок 1 – Внешний вид устройства по обработке семян кукурузы сахарной переменным магнитным полем. Обозначения: 1 – две катушки; 2 – осциллограф; 3 – генератор сигналов специальной формы Г6 28; 4 – источник тока с высоким выходным сопротивлением (ИТУН), работающий в ключевом режиме

 

Семена кукурузы сахарной помещали в диэлектрический контейнер и располагали в межполюсном пространстве катушек (рис. 1). Экспозиция в переменном магнитном поле семян кукурузы сахарной составляла 60 минут. Семена помещали в контейнер только в сухом состоянии для того, чтобы после обработки они могли транспортироваться как в условиях лаборатории с возможностью длительного хранения, так и к месту использования на сельскохозяйственных угодьях при посадочных работах.

 

Рисунок 2 – Форма сигнала, используемая в экспериментальной установке по обработке семян кукурузы сахарной переменным магнитным полем (фото с осциллографа). Примечания: А – синусоидальный ток, текущий через катушку; Б – ток через катушку в устройстве меняется скачком (форма входного сигнала – меандр); В – линейно изменяющийся ток через катушку (треугольная форма сигнала)

 

Необходимые параметры переменного магнитного поля (амплитуда, частота и тип необходимого сигнала (рис. 2) задавались на генераторе сигналов специальной формы Г6 28, с помощью источника тока с высоким выходным сопротивлением (ИТУН), работающего в ключевом режиме. Контроль выходных параметров на самих катушках осуществляли с помощью осциллографа. Обработка семян кукурузы сахарной происходила при постоянном значении магнитной индукции ПеМП (1 мТл), в диапазоне частот от 10 до 50 Гц с шагом 10 Гц и различной формой сигнала (табл. 1).

 

Таблица 1 – Схема обработки семян кукурузы сахарной

Название группы	Описание группы
К	Контрольная группа растений без влияния физических факторов
Облучение ПеМП с типом сигнала синусоида
1	ПеМП (B = 1 мТл; f = 10 Гц)
2	ПеМП (B = 1 мТл; f = 20 Гц)
3	ПеМП (B = 1 мТл; f = 30 Гц)
4	ПеМП (B = 1 мТл; f = 40 Гц)
5	ПеМП (B = 1 мТл; f = 50 Гц)
Облучение ПеМП с типом сигнала меандр
6	ПеМП (B = 1 мТл; f = 10 Гц)
7	ПеМП (B = 1 мТл; f = 20 Гц)
8	ПеМП (B = 1 мТл; f = 30 Гц)
9	ПеМП (B = 1 мТл; f = 40 Гц)
10	ПеМП (B = 1 мТл; f = 50 Гц)
Облучение ПеМП с треугольным типом сигнала
11	ПеМП (B = 1 мТл; f = 10 Гц)
12	ПеМП (B = 1 мТл; f = 20 Гц)
13	ПеМП (B = 1 мТл; f = 30 Гц)
14	ПеМП (B = 1 мТл; f = 40 Гц)
15	ПеМП (B = 1 мТл; f = 50 Гц)

 

Функциональную способность магнитной установки обеспечивает разработанный, собранный и испытанный рабочий макет источника тока с высоким выходным сопротивлением (ИТУН), работающий в ключевом режиме. Устройство представляет собой классический широтно-импульсный модулятор (ШИМ) с ключевым усилителем мощности, выполненным по мостовой схеме и охваченным обратной связью по току нагрузки. Выбор мостовой схемы выходного каскада обусловлен тем, что, по условиям эксперимента, ИТУН должен иметь возможность передавать в нагрузку (помимо переменного) и постоянный ток. Т.е. создавать в катушке постоянное подмагничивание. Проще всего это достигается использованием мостовой схемы включения выходных ключей.

 

Рисунок 3 – Блок-схема устройства источника тока управляемого напряжением. Обозначения: 1 – формирователь треугольного напряжения; 2 – вход компаратора; 3 – вход формирователя сигналов управления (ФСУ); 4 – затворы мощных полевых транзисторов выходного каскада; 5 – блок питания; 6 – выходной LC фильтр; 7 – датчик, который формирует на выходе сигнал, пропорциональный току, текущему через нагрузку ZН; 8 – регулирующий усилитель

 

Блок-схема (рис. 3) иллюстрирует принцип работы устройства. Сигнал с формирователя треугольного напряжения 1 поступает на вход компаратора 2, где сравнивается с выходным сигналом регулирующего усилителя 8. В результате чего формируется прямоугольное напряжение переменной скважности. Частота этого сигнала определяется частотой формирователя треугольного напряжения (≈200 кГц), а скважность (отношение периода повторения к ширине импульса напряжения на выходе компаратора) величиной выходного напряжения регулирующего усилителя 8. С выхода компаратора 2 ШИМ сигнал поступает на вход формирователя сигналов управления (ФСУ) выходными ключами 3, управляющего затворами мощных полевых транзисторов выходного каскада 4, собранного по мостовой схеме. ФСУ формирует 4 синхронизированных сигнала управления, обеспечивающих безаварийную работу мощных ключей.

С выходного каскада 4 мощные импульсы напряжения, модулированные по длительности полезным сигналом, поступают на выходной LC фильтр 6, выделяющий полезный сигнал и сглаживающий высокочастотные пульсации. Датчик 7 формирует на выходе сигнал, пропорциональный току, текущему через нагрузку Z_Н. Этот сигнал, суммируясь на входе усилителя 8 с управляющим сигналом, замыкает цепь отрицательной обратной связи, позволяющей достаточно точно отслеживать ток, текущий через нагрузку, вне зависимости от её характера. Блок питания 5 обеспечивает питанием мощный выходной каскад и каскады схемы управления.

После обработки образцы помещались в ростовую камеру, при этом подложкой для семян служила влажная фильтровальная бумага. Полив осуществлялся только дистиллированной водой с целью исключения дополнительных факторов влияния. Контрольные партии семян находились вне поля при прочих равных условиях. Семена проращивали при температуре +20°C. Энергию прорастания и всхожесть семян определяли в сроки, указанные в ГОСТ 12038-84 [8]. После завершения эксперимента оценивали онтогенез растений, а также морфометрию надземной части и корневой системы как среднюю длину стебля и главного корня в каждой из выборок (L_ср.). Для удобства сравнения результаты, полученные в опытных выборках, относили к контрольным: Длина = L_{ср. опыт} / L_{ср. контроль}. Все полученные результаты обрабатывались методами вариационной статистики с использованием пакета компьютерных программ «Statistica».

Результаты и обсуждение

Влияние переменного магнитного поля с частотой 10–50 Гц и различной формой сигнала (синусоида, меандр и треугольная) на начальные стадии онтогенеза кукурузы сахарной «Пролетарская» (элита)

В ходе исследований установили, что на прохождение фаз онтогенеза переменное магнитное поле повлияло положительно для большинства экспериментальных групп растений, а сам биологический эффект имел частотную зависимость (рис. 4). При действии переменного магнитного поля с типом сигнала синусоида (группы № 1–5) и частотой магнитного поля 20 Гц для растений отмечен стимулирующий эффект как на стадии колеоптиль, так и в фазе роста 1–2 листа. Общее значение составляет +20% в развитии. На частотах 30, 40 и 50 Гц получен нейтральный эффект. При частоте поля 10 Гц зафиксировано ингибирующее влияние действующего физического фактора.

 

Рисунок 4 – Онтогенетические изменения проростков кукурузы сахарной на 8 сутки эксперимента в зависимости от схемы обработки (см. табл. 1)

 

Стимулирующее действие переменного магнитного поля с типом сигнала меандр зафиксировано для всех экспериментальных групп (№ 6–10 на рисунке) с частотой от 10 до 50 Гц. Для 10 Гц это значение невысоко и составляет всего 6%, однако от 20 до 50 Гц показатели составляли 30–36%.

Треугольный тип сигнала, воздействующий на семена, дал несколько лучшие показатели в развитии растений по прохождению фаз онтогенеза (группы № 11–15). Так, при частотах от 30 до 50 Гц отмечено развитие выборки на 24–34% соответственно, по сравнению с контролем. Небольшое ингибирующее влияние в 8% можно отметить только при частоте 20 Гц.

Влияние переменного магнитного поля с частотой 10–50 Гц и различной формой сигнала (синусоида, меандр и треугольная) на морфометрию кукурузы сахарной «Пролетарская» (элита)

 

Рисунок 5 – Изменения длины (%) надземной части (проростков) и корневой системы (главного корня) кукурузы сахарной по сравнению с контрольной группой на 8-е сутки эксперимента в зависимости от схемы обработки (см. табл. 1)

 

Оценивая морфометрию надземной части растений и корневой системы по сравнению с контрольной группой, можно отметить, что положительным эффектом обладали лишь некоторые параметры, выбранные для обработки семян растений (рис. 5). Так, при использовании формы сигнала синусоида и частоте 20, 40 и 50 Гц получили стимулирующие значения длины стебля на 27%, 6% и 15% соответственно. Развитие корневой системы отметили только на частотах 20 (+55%) и 50 (+25%) Гц. Нейтральный эффект зарегистрирован при параметрах установки B = 1 мТл, f = 10 Гц, тип сигнала синусоида, а вот достоверный ингибирующий эффект выявлен при значениях магнитной индукции 1 мТл и частоте переменного магнитного поля 30 Гц (надземная часть – 26%, корневая система – 11%).

Когда в устройстве по обработке семян растений, на примере кукурузы сахарной, ток через катушку изменялся скачком (т.е. форма входного сигнала – меандр), семена испытывали повышенное воздействие на частотах 10 и 40 Гц (имеется в виду частотное изменение сигнала от минимума до максимума во времени), которое отразилось на корневой системе растений. Был получен только нейтральный и ингибирующий эффект при оценке состояния корневой системы.

Наиболее острый биологический отклик на воздействие физического фактора в виде переменного магнитного поля частотой 20–50 Гц, был установлен при включении треугольного типа сигнала (рис. 2: В, рис. 5: группы № 12–15). Влияние таких параметров ПеМП отразилось как на надземной части растений (достоверное снижение ростового показателя на 22–49%), так и на развитии корневой системы (достоверное снижение длины главного корня на 26–49%).

Полученные результаты могут быть объяснены следующими позициями:

• – биологические эффекты в большей степени зависят не от частоты ПеМП, а от формы сигнала, которая изменяет силу воздействия на клетки даже при одних и тех же значениях t, B и f;
• – известно, что магнитное поле влияет на митотическую активность апикальных корневых и стеблевых меристем однодольных и двудольных растений. При частотах 1–30 Гц для 56 различных линий (сортов) основных сельскохозяйственных культур получены результаты стимулирующего действия переменного магнитного поля [9]. Уровень стимулирующего эффекта в некоторых сериях экспериментов превышает 50%. Для кукурузы Пурпурный тестер скороспелый стимулирующий эффект составлял около 20% [9]. Для наших исследований в этом диапазоне также выявлено стимулирующее действие поля, однако биологические эффекты достоверно зависят от типа воздействующего сигнала. Поэтому можно предположить, что в нашем случае митотическая активность апикальных корневых и стеблевых меристем для кукурузы сахарной «Пролетарская» (элита) была различной и связана как раз с формой воздействующего поля;
• – чувствительность семян к низкочастотному магнитному полю связана с изменением pH и высвобождением белков, которые ускоряют выход семян из состояния покоя (ускорение прохождения стадий онтогенеза, по сравнению с контролем) и влияют на восстановление барьерной функции мембран [10]. Мы считаем, что процент высвобождения белка и способность к восстановлению мембраны носит частотный характер, а также зависит от формы подаваемого сигнала на биологический объект. Для подтверждения этого механизма требуются дальнейшие исследования, что и является целью проекта.

Экологически безопасные параметры магнитной установки в качестве предпосевных схем обработки

Таким образом, некоторые полученные схемы обработки семян кукурузы сахарной переменным магнитным полем, с учетом онтогенеза и морфометрии, возможно далее использовать в полевых условиях в качестве метода предпосевной обработки сельскохозяйственной культуры:

1. Магнитная индукция 1 мТл, частота сигнала 20 Гц, тип сигнала синусоида – развитие организма по фазам онтогенеза +20%, развитие морфометрии надземной части +27%, развитие корневой системы +55%.
2. Магнитная индукция 1 мТл, частота сигнала 50 Гц, тип сигнала синусоида – развитие организма по фазам онтогенеза имело нейтральный характер, однако развитие морфометрии надземной части +15%, развитие корневой системы +25%.
3. Магнитная индукция 1 мТл, частота сигнала 20 Гц, тип сигнала меандр – развитие организма по фазам онтогенеза +34%, развитие морфометрии надземной части +13%, развитие корневой системы имело нейтральный характер.
4. Магнитная индукция 1 мТл, частота сигнала 30 Гц, тип сигнала меандр – развитие организма по фазам онтогенеза +34%, развитие морфометрии надземной части +28%, развитие корневой системы имело нейтральный характер.
5. Магнитная индукция 1 мТл, частота сигнала 50 Гц, тип сигнала меандр – развитие организма по фазам онтогенеза +36%, развитие морфометрии надземной части +16%, развитие корневой системы имело нейтральный характер.

Данные схемы планируется использовать в дальнейших исследованиях, с целью оценки урожайности культуры в условиях Донбасса, в зависимости от схемы обработки, что поспособствует развитию агропромышленного сектора и продовольственной безопасности ДНР.

Выводы

1. Влияние переменного магнитного поля с типом сигнала синусоида и параметрами поля B = 1 мТл, f = 20 Гц, t = 60 мин. для растений имело стимулирующее действие при прохождении фаз онтогенеза на +20%. На частотах 30, 40 и 50 Гц получен нейтральный эффект. При частоте поля 10 Гц зафиксировано ингибирующее влияние (−36%) действующего физического фактора. Биологический эффект влияния треугольного типа сигнала имел частотную зависимость. При частотах от 30 до 50 Гц отмечено стимулирующее развитие выборки на 24–34% соответственно. Небольшое ингибирующее влияние в 8% можно отметить только при частоте 20 Гц. Стимулирующее действие переменного магнитного поля с типом сигнала меандр зафиксировано для всех экспериментальных групп с частотой от 10 до 50 Гц (6–36%).
2. Для экспериментальных групп с типом сигнала синусоида при параметрах поля f = 20 и 50 Гц характерно увеличение длины стебля (+15…+27%) и корневой системы растений (+27…+55%). Достоверный ингибирующий эффект отмечали в группе с частотой обработки семян 30 Гц. При нахождении семян в магнитном поле с треугольным типом сигнала для всех групп при проращивании зафиксирован значительный ингибирующий эффект (−22…−49%). Для выборки с обработкой семян сигналом формы меандр зафиксировано стимулирующее действие при частотах 20, 30 и 50 Гц на надземную часть, а для корневой системы эффект был нейтральным. Значительное ингибирующее действие фактора отмечено только при частоте 10 Гц.

Рекомендации

Полученные схемы обработки кукурузы сахарной переменным магнитным полем, с учетом онтогенеза и морфометрии, рекомендуется далее использовать в полевых условиях в качестве метода предпосевной обработки сельскохозяйственной культуры:

 

***

Исследование проводилось по теме государственного задания (№ госрегистрации НИОКТР 1023031300005-4-1.6.7).

About the authors

Vladimir O. Kornienko

Donetsk State University

Author for correspondence.
Email: kornienkovo@mail.ru

candidate of biological sciences, head of Research Department, associate professor of Biophysics Department

Russian Federation, Donetsk

Andrey S. Yaitsky

Samara State University of Social Sciences and Education

Email: yaitsky@sgspu.ru

senior lecturer of Biology, Ecology and Methods of Teaching Department

Russian Federation, Samara

Kseniya A. Avdeeva

Donetsk State University

Email: kseniaavdeeva13@gmail.com

junior researcher of Research Departmen

Russian Federation, Donetsk

References

Supplementary files