В Институте автоматики и процессов управления ДВО РАН выяснили, что искусственный солнечный свет может повышать урожайность сельскохозяйственных культур. Используя тот или иной спектр, можно заставить растение раньше зацвести, развить более мощную корневую систему или изменить сроки плодоношения. Разработанные ими светильники могут, например, имитировать экваториальные условия – для бананов, июньский полдень в Приморье – для базилика или стимулировать вторичные метаболиты – для аромата помидоров.
Учёные Института автоматики и процессов управления ДВО РАН представили свои исследования в области агробиофотоники коллегам из других научных учреждений России. Во Владивосток гости приехали для участия в международной конференции Advanced Laser Technologies («Передовые лазерные технологии»), которая проходит в нашем городе на этой неделе.
На стеллажах Центра лазерных технологий – контейнеры, где растут салат, базилик и другая зелень, причём каждый блок освещается разным светом – белым, желтоватым, красным, зелёным или синим. Лампы не простые, они производят излучение, аналогичное естественному солнечному свету во всём многообразии его спектра. В зависимости от цвета, интенсивности, продолжительности и других характеристик света вид у растений тоже разный: одни пышно растут и пахнут, другие, прямо скажем, выглядят не очень. Как разный свет влияет на развитие растений – как раз и выясняют исследователи.
Агробиофотоника – относительно новое направление в развитии науки. Понятно, что человечество веками ищет пути повышения урожайности сельхозрастений, среди которых и селекция, и борьба с вредителями, и генная инженерия. Агробиофотоника – один из наиболее перспективных методов, который, по утверждению учёных, может в разы увеличить урожайность сельскохозяйственных растений, причём экологически чистых, богатых полезными для человека витаминами, аминокислотами, микроэлементами и другими веществами.
«Лазерное излучение давно используется в промышленных технологиях, медицине и множестве других областей, – рассказывает академик, председатель ДВО РАН, научный руководитель Института автоматики и процессов управления ДВО РАН Юрий Кульчин. – Теперь мы готовы применять его для культивирования растений. Работа в этой области началась около пяти лет назад, когда появилась идея создавать искусственный солнечный свет. Полгода назад несколько крупных научных учреждений России начали работу в рамках полученного гранта. При этом агробиофотоника сейчас активно развивается во всём мире».
Юрий Кульчин говорит, что, используя тот или иной спектральный состав, можно заставить растение вытянуться, раньше зацвести, дать пышную зелень, развить более мощную корневую систему, изменить сроки плодоношения.
«Более того, как выяснилось, светом можно добиться, чтобы растение испытывало стресс, и тогда оно начинает вырабатывать вторичные метаболиты, которые могут добавить растению ценных для человека полезных качеств, – добавляет учёный. – Например, любимый всеми аромат у помидора – результат выработки вторичных метаболитов. Кроме того, можно так подобрать освещение для салата, что его листья будут содержать повышенное количество витамина С».
Исследования уже показали, что нельзя включать искусственный солнечный свет мгновенно, гораздо эффективнее, чтобы он загорался постепенно, как в природе. Ещё раньше считалось, что зелёный свет не эффективен для растений, тогда как нынешние исследования показали, что в правильных пропорциях синего, зелёного и красного можно получить хорошие результаты.
«Наши светильники отличаются от тех, которые присутствуют на рынке, – добавляет ведущий научный сотрудник, заведующий сектором лазерных технологий ИАПУ Евгений Субботин. – Они как раз могут включаться постепенно, имитировать утро или вечер. Мы можем смоделировать любые условия – экваториальные, северные, горные или даже подводные – если это нужно для рыб или водорослей. И под нашими лампами в Приморье могут прекрасно расти в теплицах не только помидоры, но и дыни, арбузы или бананы».
Учёный показывает базилик под разного света лампами – лучше всего это растение чувствует себя под лампой, имитирующей солнечный свет в июньский полдень в Приморье – тут его листья пышные и тёмно-фиолетовые. Тогда как под «обычным солнечным светом» – с зелёными пятнами и довольно чахлые.
Лаборатория, в которой ведут исследования дальневосточные учёные, – часть большого российского проекта по изучению влияния света на развитие растений. Его участники – Всероссийский институт машиностроения, Институт общей физики РАН, Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, Федеральный научный центр биоразнообразия ДВО РАН, Белгородский государственный национальный исследовательский университет. Проект объединяет усилия физиков, электронщиков, химиков, биохимиков, генетиков, специалистов в области сельского хозяйства.
Первые разработки уже используют сельхозпредприятия – но пока только в европейской части страны. Приморье тормозит – сетуют учёные. Хотя технология не дорогая, гораздо дешевле старых светильников, которые используются сейчас. Причём завод «Изумруд» совместно с учёными уже выпустил первую экспериментальную партию ламп.
Особое место в лаборатории лазерных технологий отведено ещё одной важной теме – выращиванию клеточных культур. Причём разный спектр солнечного света тоже может очень многое изменить в жизни этой биомассы из научно-фантастических рассказов. Это совместная работа с лабораторией биоинженерии ФНЦ биоразнообразия ДВО РАН.
Хозяйка особых колбочек – Галина Веремейчик, заведующая лабораторией агробиофотоники. В колбах – нечто похожее то ли на кристаллы, то ли на горки некоего вещества. Клетки для культивирования получают из растений, их помещают в питательную среду в стерильные условия, они там растут и могут продуцировать множество веществ, которые очень нужны человеку – в том числе для медицины, фармакологии, косметологии и других.
«Вот клеточная культура растения марена сердцелистная, она продуцирует антрахиноны – мощный антиоксидант, эффективный при заболеваниях почек, – рассказывает Галина Веремейчик. – А вот клеточная культура артишока, причём это не просто салат, а фактически лекарственное растение. Но все те химические соединения, которые ценны для человека, клеточные культуры обычно вырабатывают в минимальных количествах. Кстати, растут они в основном в темноте – это для них наиболее комфортные условия. Но с помощью разного света можно помочь клеткам продуцировать нужных нам соединений больше, ещё больше!»
К примеру, клеточная культура воробейника продуцирует известный многим шиконин, он обладает необычайно мощными лечебными и косметическими свойствами, оказывает противовоспалительное, противомикробное и ранозаживляющее действие. Но клеточную культуру необходимо заставить вырабатывать шиконин. Чаще всего это делается химическими способами. Учёные подбирают физический подход на основе использования света разного спектра – синий, красный, зелёный.
Помимо сугубо научных исследований, есть уже и стартап в области производства косметических средств. Галина Веремейчик рассказывает, что уже зарегистрирована торговая марка. Продукция – кремы, тоники, гели – проходит сертификацию, и учёные надеются её представить уже в следующем году. Но исследования продолжаются, и впереди наверняка немало открытий.
«Работа построена на тесном сотрудничестве с биологами, химиками и физиками, чтобы в точности понимать, что продуцируют наши клеточные культуры при определенных воздействиях», – уточняет Галина Веремейчик.
Марина Ивлева