Коммерческие культуры, такие как виноград, персики, ягоды и цветочные луковицы, впадают в спячку зимой, по сути, спят во время сезонных холодов, прежде чем возобновить рост, цветение и плодоношение в теплые месяцы.
Важнейшей задачей коммерческих фермеров является обеспечение хорошего и синхронизированного роста деревьев. Проблема в мягком зимнем климате заключается в том, что растения не получают достаточного охлаждения, и возобновление роста становится рассредоточенным, а некоторые почки даже не растут. Когда сады со спящими деревьями начинают расти примерно в одно и то же время, это, как правило, делает уход за деревьями и сбор урожая проще и дешевле, но рост деревьев и его сроки контролируются непредсказуемыми кознями зимней погоды.
Теперь группа ученых из Университета Джазан в Саудовской Аравии открыла новый эффективный способ контролировать состояние покоя винограда и других фруктовых растений, используя высокотехнологичную плазму, чтобы разбудить их от зимнего сна.
Работа может помочь расширить выращивание плодовых культур и декоративных растений, произрастающих в умеренном климате, в тех частях мира, где зимы мягче, включая юг Соединенных Штатов, Мексику, Бразилию, Южную Азию, Юго-Восточную Азию и Средний Восток. Это также может смягчить проблемы, вызванные повышением температуры из-за глобального потепления в некоторых частях мира.
Работу выполнила группа ученых, в которую вошли Хабиб Кемира, садовод; Зака-уль-Ислам Муджахид, физик плазмы; и Тайеб Тунекти, физиолог растений. «Ожидается, что искусственные методы выхода из состояния покоя станут более важными в ближайшем будущем из-за глобального потепления», - сказал Муджахид, который представит свою работу на следующей неделе на 71-й ежегодной конференции по газовой электронике Американского физического общества и 60-м ежегодном собрании отдела APS. физики плазмы, которая состоится в ноябре.5-9 в Орегонском конференц-центре в Портленде.
Хотя метод работал в лаборатории, его все еще необходимо испытать в полевых условиях и доказать его коммерческую и экономическую целесообразность для производства продуктов питания в промышленных масштабах.
Спать, возможно, зародиться
По мере того, как холодная зима приближается к одиноким садам, посевы чувствуют, что ночи становятся длиннее, а дни бодрее, и адаптируются, впадая в спячку. Начиная с осени, они сбрасывают листья, замедляют свою метаболическую активность и входят в «сонное» состояние, в котором они будут сохраняться в течение холодных месяцев.
Растения освобождаются от дремоты Деда Мороза холодом самой зимы. Они чувствуют холод, следят за холодными днями в разгар зимы, и когда таких холодных дней бывает достаточно, растения реагируют усилением метаболических процессов, что приводит к распусканию почек и росту побегов, когда наступают более теплые весенние дни.
Но когда растения выращивают в регионах с мягкой зимой или климат становится теплее, они могут не получить достаточного охлаждения, чтобы вовремя распустить шишки. Иногда при шаткой погоде вы можете обнаружить цветы, плоды и спящие почки на одном дереве одновременно. Во всем саду это может привести к асинхронному созреванию урожая, что нежелательно для фермеров, поскольку усложняет такие операции, как борьба с вредителями, увеличивает трудозатраты и снижает урожайность.
Одной из задач современного земледелия является поиск способов стимулировать максимальное количество бутонов на растениях, чтобы они росли и одновременно цвели и плодоносили. Это будет означать большую площадь листьев для питания растущих фруктов и более крупный урожай, который будет готов к сбору одновременно.
Новое решение, которое началось со случайного обсуждения
Команда из Саудовской Аравии разработала новый способ вывести растения из состояния покоя, подвергнув их воздействию плазмы, представляющей собой особый горячий ионизированный газ, который иногда называют четвертым состоянием вещества - рядом с твердыми телами, жидкостями и обычные газы. Вы можете найти плазму в ударах молнии, звездных ядрах, небесных полярных сияниях и неоновых вывесках старой школы.
Ученые используют плазму для всего: от питания испытательных термоядерных реакторов до стерилизации медицинских имплантатов. Команда специально использовала их для обработки спящих виноградных лоз.
Они обнаружили, что воздействие плазмы вызывает окислительный стресс внутри растения, точно такие же сигналы, вызванные холодом в клетках спящих растений, на которые почки реагируют пробуждением. Исследователи обнаружили, что, обрабатывая виноградные почки плазмой, они могут вывести растения из состояния покоя - и намного быстрее, чем погода, и безопаснее, чем существующие искусственные методы, основанные на опрыскивании растений химическими веществами.
Муджахид сказал, что работа началась со случайной беседы, которую он вел со своим коллегой Кемирой, старшим научным сотрудником Центра экологических исследований и исследований Джазанского университета. Хемира описывал свою работу по окислительному стрессу в виноградных почках, и они обнаружили, что никто никогда не пытался использовать плазму, чтобы вызвать окислительный стресс и вывести их из состояния покоя. Вскоре они протестировали подход, и он сработал. Тайеб проанализировал образцы и выяснил, что обработка плазмой действительно вызывала окислительный стресс, аналогичный тому, который достигается естественным холодом и цианамидом водорода.
«Некоторые результаты нашего первого успешного эксперимента были феноменальными, и мы не могли поверить, что это правда», - сказал Муджахид. Даже всего несколько минут обработки плазмой шишек, никогда не переживавших холода, позволили растениям добиться такого же, если не лучшего распускания бутонов, как у контрольных растений, которые находились в оптимальных холодных условиях (60 дней воздействия температуры около 5 градусов по Цельсию).
Они протестировали этот подход на разных сортах винограда из разных регионов и обнаружили, что он надежно работает на всех сортах. Обычно производители решают проблему отсутствия охлаждения, опрыскивая деревья химическими веществами, такими как цианамид водорода. Проблема в том, что цианамид водорода или другие химические вещества эффективны только в том случае, если завод обеспечивает значительную часть своих потребностей в охлаждении за счет естественного холода. Кроме того, цианамид водорода также токсичен для человека, дикой природы и самих растений. Из-за этого химическое вещество было запрещено в нескольких странах, сказала Хемира.
Применится ли новый, более экологичный подход с использованием плазмы для лечения спящих почек, будет зависеть от ряда факторов, в том числе от того, будет ли он работать так же эффективно в полевых условиях, как и в лаборатории. Его необходимо протестировать на культурах, отличных от винограда, и также необходимо учитывать стоимость оборудования.
«Предстоит еще много работы, чтобы проверить эффективность и осуществимость», - сказал Муджахид. «Мы находимся в процессе определения правильных параметров, чтобы использовать его в полевых условиях, но он может быть использован всего через несколько лет».
Хемира сказал, что если практические аспекты будут разработаны и новый подход действительно окажется коммерчески жизнеспособным, он произведет революцию в том, как мы выращиваем многие культуры. Исследователи подали заявку на патент на метод и систему доставки.