Промышленные культуры, такие как виноград, персики, ягоды и луковицы цветов зимой находятся в состоянии покоя, и должна наступить определенная температура, прежде чем они снова начнут расти, цвести и плодоносить в теплые месяцы.
Критической проблемой для производственников является хороший и дружный рост растений. Главная проблема в умеренном зимнем климате заключается в том, что растения не получают достаточного количества охлаждений, а рост уже возобновляется, причем некоторые почки не распускаются. Когда растения в насаждениях начинают расти примерно в одно и то же время, это обычно делает уход за ними и сбор урожая более легким и менее дорогостоящим, но распускание почек, рост и время начала роста у винограда и деревьев контролируются непредсказуемыми превратностями погоды зимой.
В настоящий момент группа ученых из Джазанского университета Саудовской Аравии (Jazan University of Saudi Arabia) обнаружила эффективный новый способ контролировать покой винограда и других плодовых культур, используя высокотехнологичную плазму с целью искусственного вывода кустов из зимнего состояния покоя. Эта работа может способствовать расширению выращивания винограда, плодовых культур и декоративных растений, произрастающих в умеренном климате, в тех частях мира, где зимы более мягкие, включая южные штаты США, Мексику, Бразилию, Южную Азию, Юго-Восточную Азию и Ближний Восток. Это может также смягчить проблемы, связанные с повышением температуры из-за глобального потепления в некоторых частях мира.
Работа была выполнена группой ученых : Хабиб Хемира (Habib Khemira), ученого-агронома; Зака-уль-Ислам Муджахида (Zaka-ul-Islam Mujahid), физика плазмы, и Таджеба Тунекти (Taieb Tounekti), физиолога растений. «Искусственные методы выхода из состояния покоя, как ожидаетсябудут иметь огромное значение в ближайшем будущем из-за глобального потепления климата на Земле» , - сказал Муджахид, который представлял эту работу на 71-й Ежегодной конференции по газовой электронике Американского физического общества (American Physical Society 71st Annual Gaseous Electronics Conference) и 60-й ежегодной встрече Отдела APS физики плазмы (60th Annual meeting of the APS Division of Plasma Physics), которая состоялась 5-9 ноября 2018 года в Конференц-центре штата Орегон в Портленде (Oregon Convention Center in Portland).
Несмотря на то, что предложенный метод отработан в лабораторных условиях, он по-прежнему нуждается в проверке на местах с целью доказательства своей производственной осуществимости и экономической эффективности для промышленного производства виноградла и других плодовых культур.
«Спящий» период
По мере того как зимний холод пробирается виноградникам и садам, насаждения чувствуют более длинные ночи и более короткие дни и приспосабливаются, физиологические процессы замедляются, и растение уходит в период вынужденного покоя. Процнесс этот начинается с осени – сначала замедляется метаболическая активность листьев, потом листопад, и растения вступают в «сонное» состояние, в котором они будут находиться все холодные месяцы. Растения винограда и других культур освобождаются от зимней спячки сами. Они чувствуют холод, отслеживают дни в период холода зимой, и, когда пройдет период холодных дней, растения будут реагировать на тепло, увеличивая свои метаболические процессы, которые приведут к разрыву почки и росту побегов, когда приходят теплые весенний дни. Но когда виноград выращивают в регионах с мягкой зимой, или климат становится теплее, он может не получать достаточно охлаждения, чтобы своевременно выпускать свои почки. Иногда в связи с метеорологическими условиями можно найти одновременно цветки, плоды и спящие бутоны на одном и том же дереве. По всему саду это может вызвать асинхронное созревание урожая - нежелательный результат для фермеров, поскольку он усложняет операции, такие как борьба с вредителями, и увеличивает затраты на рабочую силу и снижает урожайность.
Одной из проблем современного сельского хозяйства является поиск путей максимального увеличения количества почек на растениях, а также одновременного получения цветков и плодов. Это будет означать большую площадь листовой поверхности для питания растущих плодов и более высокого урожая, который будет готов уборке в одно время, без выборочной уборки, удорожающей конечный продукт.
Новое решение, начатое в повседневной дискуссии
Команда ученых из Саудовской Аравии добилась нового способа обмануть растения и вывести их из состояния покоя, подвергая их воздействию плазмы, которая представляют собой специальные горячие ионизированные газы, иногда называемые четвертым состоянием вещества (наряду с твердыми веществами, жидкостями и обычными газами). Вы можете найти плазму в ударах молнии, в ядре звезд, в небесном сиянии и др. Ученые используют плазму для всего, начиная от питания реакторов ядерного синтеза и заканчивая стерилизацией медицинских имплантатов.
Команда ученых специально использовала плазму для воздействия на лозы винограда в периоде покоя. Они обнаружили, что воздействие плазмы вызывает окислительный стресс внутри растения, такой же, какой вызывает холод в клетках спящих растений, на который почки реагируют путем пробуждения. Изучая почки винограда с помощью плазмы, исследователи обнаружили, что они могут освобождать растения из периода покоя - и делать это намного быстрее, чем погода, и более безопасно, чем ныне существующие искусственные методы, которые основаны на опрыскивании кустов винограда химическими веществами.
Муджахид сказал, что работа началась со случайной дискуссии, которую он вел со своим коллегой Хемирой, старшим научным сотрудником Центра экологических исследований и исследований Университета Джазана (Jazan University's Center for Environmental Research and Studies). Хемира описывал свою работу по изучению окислительного стресса в почках винограда, и они обнаружили, что никто никогда не пытался использовать плазму, чтобы вызвать окислительный стресс и вывести почки из состояния покоя. Вскоре они протестировали этот подход к проблеме, и это сработало. Таджеб проанализировал образцы и выяснил, что на самом деле обработка плазмой вызвала окислительный стресс, подобный тому, который достигается естественным холодом и цианамидом водорода (H2CN2). «Некоторые результаты нашего первого успешного эксперимента были феноменальными, и мы не могли поверить, что это правда», - сказал Муджахид. Даже несколько минут применения плазмы на почках, которые никогда не испытывали холода, позволили растениям добиться аналогичного, если не лучшего, распускания почек в сравнении с контрольными растениями, которые испытали оптимальные холодные условия (60 дней воздействия температур около плюс 5 градусов по Цельсию).
Они опробовали метод на разных сортах винограда, полученных из разных регионов, и обнаружили, что он надежно работал над всеми из них. Обычно производители устраняют проблему отсутствия охлаждения, опрыскивая кусты и деревья химическими веществами, такими как цианамид водорода. Проблема состоит в том, что цианамид водорода или другие химические вещества эффективны только в том случае, если растение получает значительную часть необходимого ему охлаждения от естественного холода. Кроме того, цианамид водорода также токсичен для людей, дикой природы и самих растений. Из-за этого химикат был запрещен в нескольких странах.
Будет ли новый, более экологичный подход использовать плазму для воздействия на спящие почки, будет зависеть от ряда факторов, в том числе от того, будет ли он эффективно работать в насаждениях, а также в лаборатории. Его нужно проверять на других культурах, кроме винограда, и стоимость оборудования также должна учитываться. «До сих пор мы ведем большую работу по проверке эффективности и осуществимости нашего метода», - сказал Муджахид. «Мы находимся в процессе определения правильных параметров, чтобы вывести его на полевые испытания, но это может занять несколько лет».
Хемира сказал, что если практические аспекты будут разработаны и новый подход действительно окажется коммерчески жизнеспособным, это произведет революцию в сельском хозяйстве. Исследователи подали заявку на патент для данного метода и его применения.
