Studium vlivu elektrického pole na rychlost výměny plynů u vybraných druhů rostlin

Filip Robotka

Bachelor's thesis

Study of the effect of the electric field on the gas exchange rate in selected plant species

Abstract:

Bioelektrika je obor vědeckého studia zahrnujícího aplikaci pulzní energie na živé organismy. Bioelektrika si v posledních letech získala velkou pozornost a v současnosti je předmětem mnoha studií. Vliv elektrického pole na rostliny může podporovat klíčení semen a podporovat/inhibovat růst rostlin. Tímto způsobem může aplikace pulzní energie na živé organismy vyvolat různé reakce a s touto technologií existuje velký potenciál pro inovace. V rámci bakalářské práce byly stanoveny následující vědecké hypotézy: existuje vliv elektrického pulzu na fyziologické charakteristiky rostlin; existuje rozdíl v reakci rostlin na elektrické pole; existuje rozdíl ve fyziologických parametrech vybraných rostlin. Cílem bakalářské práce je studium vlivu elektrického pole na fyziologické charakteristiky rostlin a sledovat fyziologickou reakci rostlin na elektrické pole. Pro experiment byly vybrány tři druhy rostlin: lnička setá (Camelina sativa), odrůda Zuzana. Hrách setý (Pisum sativum), odrůda Eso a slunečnice roční (Helianthus annuus), odrůda P62LE122. Experiment probíhal ve dvou oddělených sklenících s identickými podmínkami. V ošetřené variantě byl použit generátor elektromagnetického pulzního pole. Během 5 měření v intervalu 14 dní byly sledovány fyziologické parametry rostlin, včetně fotosyntézy, obsahu chlorofylu a karotenoidů. Měření bylo opakováno pětkrát. Výsledky byly získány pomocí různých metod, jako je měření fluorescence chlorofylu a stanovení obsahu pigmentů. Tyto postupy poskytly komplexní pohled na reakce rostlin na elektromagnetické pole a zkoumané parametry. Zjištění z naší studie potvrdila předpoklady ohledně vlivu elektrického pulzu na fyziologické charakteristiky rostlin. Elektrický impuls vykazoval výrazný dopad na rostliny. Studie odhalila variabilitu v reakcích rostlin na elektrické pole a také ve fyziologických parametrech, což poskytuje cenné poznatky o interakcích mezi elektrickými signály a rostlinami. Nejvyšší obsah pigmentů byl zaznamenán u slunečnice (14,260 nmol cm-2), zatímco nejnižší u lničky (7,856 nmol cm-2). Rychlosti výměny plynů byly vyšší u rostlin ovlivněných elektrickým polem v porovnání s kontrolními rostlinami. Mezidruhové rozdíly byly prokázány, přičemž rychlost fotosyntézy byla nejvyšší u hrachu (15,87 mol CO2 m-2 s-1) a nejnižší u lničky (8,293 mol CO2 m-2 s-1). Nejvyšší rychlost transirace dosáhla slunečnice (2,428 mmol H2O m-2 s-1). Následoval hrách (1,664 mmol H2O m-2 s-1). Nejnižší rychlost transpirace dosáhla lnička (1,227 H2O m-2 s-1). Během vegetace se rychlost fotosyntézy a transpirace u všech sledovaných druhů zvyšovala. Elektrické pole mělo vliv na obsah fotosynteticky aktivních pigmentů a také na tvorbu kořenové a nadzemní biomasy. Nejvyšší hmotnost biomasy vykazovaly rostliny slunečnice (7,67 g) a nárůst u kořene, (0,78 g), zatímco nejnižší byl u lničky (6,70 g) nadzemní biomasa a (0,32 g) kořen. V rámci ontogenetického vývoje se hmotnost sušiny zvyšovala. Slunečnice prokázala nejlepší reakci na elektrické pole v porovnání s ostatními druhy, následovaná hrachem a lničkou. Tyto závěry nabízejí nové perspektivy pro další výzkum v oblasti rostlinné fyziologie a možné aplikace v zemědělství.

Abstract:

Bioelectrics is a field of scientific study involving the application of pulsed energy to living organisms. Bioelectrics has gained much attention in recent years and is currently the subject of many studies. The effect of electric field on plants can promote seed germination and promote/inhibit plant growth. In this way, the application of pulsed energy to living organisms can induce various responses and there is great potential for innovation with this technology. The following scientific hypotheses were established in the framework of the Bachelor thesis: there is an effect of the electric pulse on the physiological characteristics of plants; there is a difference in the response of plants to the electric field; there is a difference in the physiological parameters of selected plants. The aim of the bachelor thesis is to study the effect of electric field on the physiological characteristics of plants and to observe the physiological response of plants to electric field. Three plant species were selected for the experiment: Camelina sativa, variety Zuzana. Pea (Pisum sativum), variety Ace. and sunflower (Helianthus annuus), variety P62LE122. The experiment was conducted in two separate greenhouses with identical conditions. An electromagnetic pulsed field generator was used in the treated variant. Plant physiological parameters including photosynthesis, chlorophyll and carotenoid content were monitored during 5 measurements at 14 days interval. The measurements were repeated five times. The results were obtained using different methods such as chlorophyll fluorescence measurement and pigment content determination. These procedures provided a comprehensive view of plant responses to electromagnetic fields and the parameters investigated. The findings from our study confirmed the assumptions regarding the effect of the electric pulse on the physiological characteristics of plants. The electric pulse showed a significant impact on plants. The study revealed variability in plant responses to the electric field as well as in physiological parameters, providing valuable insights into the interactions between electrical signals and plants. The highest pigment content was observed in sunflower (14,260 nmol cm^-2), while the lowest was observed in linseed (7,856 nmol cm^-2). Gas exchange rates were higher in plants affected by the electric field compared to control plants. Interspecific differences were demonstrated, with photosynthetic rates being highest in pea (15.87 mol CO2 m^-2 s^-1) and lowest in linseed (8.293 mol CO2 m^-2 s^-1). The highest rate of transpiration was achieved by sunflower (2.428 mmol H2O m-2 s-1). This was followed by pea (1.664 mmol H2O m-2 s-1). The lowest transpiration rate was achieved by linseed (1.227 H2O m-2 s-1). During the growing season, photosynthetic and transpiration rates increased in all species studied. The electric field had an effect on the content of photosynthetically active pigments and also on the formation of root and aboveground biomass. Sunflower plants showed the highest biomass weight (7.67 g) and increase in root, (0.78 g), while the lowest biomass was in the above ground biomass and root (6.70 g and (0.32) g, respectively. Dry weight increased during ontogenetic development. Sunflower showed the best response to electric field compared to other species followed by pea and linseed. These findings offer new perspectives for further research in plant physiology and possible applications in agriculture.

Keywords

výměna plynů, fluorescence, elektrické pole, pigmenty

Keywords

electric field, gas exchange, pigments, fluorescence

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 4. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 29. 5. 2024
• Supervisor: doc. Ing. František Hnilička, Ph.D.
• Reader: Jan Kubeš, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Agrobiology, Food and Natural Resources

Bachelor programme:
Crop Production