Базилик душистый

Влияние дополнительного УФ облучения на рост, развитие и накопление эфирных масел базилика душистого (Ocimum basilicum L.) в условиях полной светокультуры.

Аннотация

С целью улучшения вкусовых свойств базилика душистого (Ocimum basilicum L.) в условиях гидропоники и полной светокультуры изучалось влияние добавления ультрафиолетового излучения диапазонов УФ-А, УФ-В и УФ-С дополнительно к основному облучению на общее состояние растений, морфологические параметры и содержание эфирного масла в листьях. Наибольший прирост сырой массы (на 55%) и содержания эфирного масла (10-30%) всех исследуемых в данной работе сортов базилика был отмечен под непрерывным УФ-В облучением. Присутствие любого УФ-диапазона облучения было необходимым условием для образования головчатых трихом базилика сорта ‘Маркус’, в то время как головчатые трихомы у сортов ‘Ред Рубин’ и ‘Гастроном’ образовывались и в отсутствие добавочного УФ облучения. Была выявлена корреляция содержания эфирного масла в растении базилика с количеством головчатых трихом и подтвержден их вклад в процесс синтеза масел.

В последние годы набирают популярность вертикальные фермы, где растения выращивают на стеллажах в полностью контролируемых условиях с использованием светодиодных (LED) облучателей, в спектре излучения которых, как правило, нет УФ-излучения. Отсутствие УФ области в спектре оптического излучения фитооблучателей может привести к ухудшению качества выращиваемого продукта, снижению его вкусовых качеств, что и было подтверждено нами на первых этапах исследований продуктивности растений базилика сортов ‘Ред рубин’ и ‘Лемона’. С целью улучшения вкусовых свойств базилика душистого (Ocimum basilicum L.) в условиях гидропоники и полной светокультуры изучалось влияние добавления ультрафиолетового излучения диапазонов УФ-А, УФ-В и УФ-С дополнительно к основному облучению на общее состояние растений, морфологические параметры и содержание эфирного масла в листьях.

Область УФ-В (280-320 нм) является наиболее изученной и перспективной частью ультрафиолетового излучения для использования в фитооблучателях. Как уже установлено, она не только биологически активна, но и необходима для нормального развития железистых трихом, отвечающих за накопление эфирного масла в базилике. 

При отсутствии УФ-В спектра в облучении щитовидные и головчатые трихомы не развиваются, а эфирномасличные мешочки заполняются не полностью и становятся морщинистыми. Однако некоторыми исследователями утверждается, что УФ облучение не влияет ни на количество желез, ни качественный состав компонентов эфирного масла, а влияет только на заполнение железистых трихом базилика. Также установлено, что дополнительное освещение УФ-В светом повышает уровень ароматических летучих соединений в листьях базилика душистого. Однако, стоит учитывать, что УФ диапазон облучения вызывает и стрессовые реакции, которые способствуют синтезу защитных пигментов и фенольных соединений, окислительному повреждению, ингибированию фотосинтеза и, как следствие, снижению роста.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

Оценить влияние различных диапазонов УФ излучения (УФ-А, УФ-В, УФ-С) на параметры роста и содержание эфирных масел базилика душистого сортов ‘Ред Рубин’, ’Гастроном’ и ’Маркус’. Зачастую при выращивании базилика в условиях искусственного освещения овощеводы сталкиваются с тем, что растения не окрашиваются антоцианом. Поэтому важно было определить целесообразность использования дополнительного УФ облучения для повышения качества продукции.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Эксперимент проводился на краснолистных сортах базилика душистого ‘Ред Рубин’, ‘Гастроном’ и ‘Маркус’. Все сорта базилика имеют характерный гвоздичный аромат и рекомендованы для выращивания как в открытом, так и в защищенном грунте.

Растения базилика выращивались в фитокамере с автоматической системой микроклимата, при следующих условиях: диапазон день/ночь 26/20 ± 1,0 °С, относительная влажность воздуха 60 ± 10%, в тение 60 дней. Капельный полив осуществлялся на основе деионизованной воды с трехкомпонентным раствором Tripack Flora Series (General Hydroponics Europe).

Измерение и оценка морфологических параметров и показателей органов растений осуществлялась на 30, 45 и 60-ый день культивирования. Срок выращивания был намеренно продлен до 60 дней для наблюдения фенофаз растений (переход к цветению) и, соответственно, максимальному накоплению эфирных масел. От каждой исследуемой группы отбиралось по 5 растений каждого сорта. Проводились измерения следующих параметров: сырая масса, сухая масса, площадь листовой поверхности растений. Изучение эпидермальной дорсальной (нижней) поверхности листьев проводили путем микроскопии с использованием микроскопа Olympus CX33 с окуляром WHB10X-H/20 при увеличении окуляром PlanC N 4x/0,10. Количество железистых и головчатых трихом рассчитывалось в среднем по 5 снимкам поверхности листьев, площадью 8,675 мм2 для каждого варианта опыта.

Количественное определение содержания эфирного масла в свежих листьях базилика проводилось с помощью газовой хроматографии с пламенно-ионизационным детектированием (ГХ-ПИД). Свежие листья одного варианта экстрагировали гексаном и добавляли гексадекан в качестве внутреннего стандарта для количественных расчетов. Идентификация масс-спектров соединений проводилась путем сравнения с библиотекой NIST.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Воздействие дополнительного УФ-А, УФ-В, УФ-С облучения оказало влияние на рост и развитие всех сортов базилика. Для всех сортов значения сырой массы под дополнительным УФ-А, УФ-В облучением были выше, чем в контрольном варианте (без УФ облучения) на протяжении всего периода культивирования. 

При этом наибольший прирост сырой массы наблюдался у образцов, находившихся под непрерывным УФ-В излучением. Воздействие УФ-С излучения негативно сказалось на приросте сырой массы растений всех сортов, её значения почти в 3 раза ниже, чем у контрольной группы на 60-тый день культивирования.

Различия в накоплении растениями базилика сухой массы были обнаружены только на 30 день выращивания, при этом наблюдалась сортоспецифичная реакция растений на УФ излучение. Дальнейшие измерения не показали значительных изменений сухой массы по сравнению с контролем, наблюдалась только сортовая разница в её накоплении.

Средняя площадь листовой поверхности растений также существенно отличалась по вариантам опыта. Наибольшая площадь листовой поверхности для всех исследуемых сортов базилика наблюдалась под УФ-В облучением. Под непрерывным УФ-С излучением наблюдалось угнетение роста растений всех сортов.

К 60-му дню выращивания наибольший процент цветущих растений наблюдался под УФ-А (61%) и УФ-В (76%) облучением по сравнению с контролем (52%). Различия в биометрических показателях сортов базилика на УФ-облучение на 60 день культивирования могут быть обусловлены генетическими особенностями, различными сроками наступления фенофаз и технической спелости. Так, среднеранний сорт ‘Ред рубин’ к 60 дню выращивания по биометрическим показателям в вариантах с УФ-А и УФ-B облучением мало отличался от контроля. Среднеспелые сорта ‘Гастроном’ и ’Маркус’ имели более резкие расхождения по основным показателям. Для всех сортов базилика наибольший прирост исследуемых показателей был выявлен для групп растений под непрерывным УФ-В облучением.

Известно, что излучения УФ-А, УФ-В высокой интенсивности негативно сказывается на рост растения, но в наших опытах, при правильно подобранной дозе воздействия, даже способствует росту и развитию растений базилика. УФ-С излучение во всех вариантах негативно повлияло на развитие растений, поэтому для дальнейшего изучения УФ-С воздействия и снижения его негативного эффекта на рост растений необходимо рассмотреть возможность использования облучения меньшей интенсивности или дозированно по времени.

Микроскопия железистых трихом показала наибольшую плотность щитовидных трихом под воздействием УФ-С облучения, что обусловлено повышенным стрессом, а листья растений имели характерные повреждения (ожоги). Остальные варианты УФ-облучения выявили сортоспецифичную реакцию растений. Таким образом, в отличие от упомянутых выше исследований, нами было установлено, что различные диапазоны УФ-облучения способны влиять на количество трихом базилика, но реакция растений зависит от сорта.

В головчатых трихомах, как считается, накопление эфирных масел не такое значительное, как в щитовидных. Однако, они также являются показателем нормального развития листовой пластины. Наши опыты показали, что сорт ‘Маркус’ в отсутствии УФ облучения не образовывал головчатых трихом. Наилучшим вариантом для образования головчатых трихом для большинства сортов также был вариант с дополнительным УФ-В облучением.

Считается, что УФ-А и УФ-В излучение, вызывая стрессовую реакцию, производит активацию метаболических процессов, в том числе синтез эфирных масел. Общее содержание эфирного масла сортов базилика ‘Ред Рубин’ и ’Гастроном’ было максимальным под УФ-В облучением, а для сорта ’Маркус’ – под УФ-А облучением. Однако, при пересчете содержания эфирного масла на 1 растение, была выявлена корреляция данного показателя с количеством головчатых трихом и установлено преимущество использования дополнительного УФ-В облучения.

Выводы:

Непрерывная обработка сорта базилика Ред Рубин УФ-А, УФ-В облучением способствует увеличению сырой массы и площади листовой поверхности растений базилика и не влияет на сухой вес растений к периоду технической спелости. 

Для сортов Гастроном и Маркус факторы УФ-А и УФ-В излучения оказали более значительное влияние на биометрические показатели в сравнение с контрольной группой. Наибольший прирост биометрических показателей и содержания эфирного масла всех исследуемых в данной работе сортов базилика был отмечен под непрерывным УФ-В облучением. УФ-С облучение во всех вариантах негативно повлияло на рост растений.

Однако положительно влияло на количество щитовидных трихом, поэтому подбор режима периодических обработок растений базилика для стимуляции их образования также может быть актуальным для будущих исследований. Данные результаты можно применять при формировании световых рецептов выращивания сортов базилика и ещё раз доказывают необходимость использования ультрафиолетовой области облучения в спектре фитоламп для нормального развития листовой пластины базилика овощного и повышения качества получаемой продукции.

Авторы:

Н.А. Семенова, А.С. Иваницких, А.А. Смирнов, Н.И. Уютова, Ю.А. Прошкин, Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ» (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ)

Литература:

1. Absolute Reports “Global basil leaves market research report”. 2020. [Link]

2. Molin E., Martin M. Assessing the energy and environmental performance of vertical hydroponic farming. Affiliation: IVL Swedish Environmental Research Institute. 2018. N 299.

3. Ichimura M., Noguchi A., Kimura M. Changes in flavor and essential oil components by location of leaf in sweet basil (Ocimum basilicum L.). J. Agric. Sci., Tokyo Univ. 2008. Agric. 53:91-95

4. Ichimura M., Tomitaka Y. and Kimura M. Effects of light intensity on the growth and essential oil contents in sweet basil. Abstr. Japan. Soc. Hort. Sci. Autumn Meet. – Japan, 1987. Р.410-411.

5. Ichimura M., Kimura M. and Tomitaka Y. Effects of temperatures and photoperiods on the growth and essential oil contents in sweet basil. J. Japan. Soc. Hort. Sci. - 1991 - Vol. 60 (Suppl. 1) - Р.338-339.

6. Beadle C. Chapter 2 - Plant growth analysis. Techniques in Bioproductivity and Photosynthesis. 1985. P. 20–25. [Link]

7. Beaman A., Gladon R., Schrader J. Sweet basil requires an irradiance of 500 μ mol /m2•s1 for greatest edible biomass production // HortScience. 2009. V. 44.

8. Bliznikas Z., Zukauskas A. Effect of Supplementary Pre-Harvest LED Lighting on the Antioxidant and Nutritional Properties of Green Vegetables //Acta horticulturae. 2012. Vol. 939 – Р. 85-91.

9. Семенова Н.А., Чилингарян Н.О., Иваницких А.С., Дорохов А.А., Павлова Е.В., Уютова Н.И. Влияние спектрального состава света и кремнийсодержащего удобрения силиплант на морфологические показатели базилика в условиях закрытых искусственных агроэкосистем / Бюллетень Главного ботанического сада. 2021. № 3. С. 25-32.

10. Ioannidis D., Bonner L., Johnson C.B. UV-B is required for normal development of oil glands in Ocimum basilicum L. (sweet basil) // Ann Bot. 2002. - Vol. 90(4) – Р.453-460.