Nové metody v ošetření semen ke zvýšení klíčivosti

Ing. Barbora Tunklová

Disertační práce

Novel methods in seed treatment to increase germination

Anotace:

Pro udržitelnou výrobu potravin a krmiv představuje kvalitní osivo životně důležitý vstup pro trvale udržitelný růst zemědělské produktivity a produkce, jelikož téměř devadesát procent plodin se pěstuje právě ze semen. Semena by před setím měla být chráněna před patogeny, které mohou mít vliv na jejich klíčivosti a mohou ohrozit zdravotní stav celé rostliny. U mnohých z chemických látek pro ošetření semen před setím byl prokázán, nebo lze předpokládat negativní vliv na životní prostředí i na lidské zdraví. Jedním z úkolů výzkumu je ověřit potenciální nové přístupy, které omezí negativní dopady chemické ochrany na životní prostředí a lidské zdraví. Proto je nyní naléhavě nutné nalézt technologie, které zajistí vysokou kvalitu a bezpečnost zemědělských produktů a zároveň budou šetrné k životnímu prostředí. To je i v souladu se směrnicí 2009/128/ES Evropského parlamentu a Rady EU, která si klade za cíl omezit chemické ošetření a její požadavky jsou promítnuty i do legislativy ČR. V rámci vlastní práce byly zkoušeny dvě inovativní metody ošetření semen pro zvýšení jejich klíčivosti, a to ošetření nízkoteplotním plazmatem a ošetřením výluhy z biouhlů. U těchto metod byl testován jejich vliv na klíčení semen vybraných modelových rostlin: pšenice tvrdá, pohanka obecná, řeřicha setá, šalvěj hispánská, laskavec červenoklasý, jitrocel vejčitý a len setý. Klíčení totiž představuje jednu z nejdůležitějších a nejzranitelnější fázi v životním cyklu rostlin. Jedná se o složitý fyziologický proces, během kterého musí dehydratované semeno nejprve obnovit fyziologickou aktivitu a trvalou intenzitu metabolismu a musí dokončit nezbytné buněčné změny, které jsou nutné pro růst zárodku a pro následný růst budoucí rostliny. Při ošetření nízkoteplotním plazmatem jsou semena v oblasti výboje přímo ovlivňována nabitými částicemi, reaktivními formami kyslíku (jako jsou OH radikály, singletový kyslík, ozon a peroxid vodíku), elektrickými poli a UV záření. Že má tento typ ošetření semen aplikační potenciál, dokazuje i řada výzkumů a fakt, že tato technologie se používá již v jiných oborech pro dezinfekci povrchů (medicína, potravinářství). V rámci provedených testů byly využity aparatury typu MSDBD a DCSBD. Biouhel je pórovitý uhlíkatý materiál, který vzniká pyrolýzou rostlinné biomasy. Biouhel lze, v případě splnění legislativních podmínek a registrace, aplikovat do půdy jako půdní doplněk. Účinky biouhlu na klíčení semen se mohou lišit v závislosti na druhu rostliny i na typu použitého biouhlu, tedy na podmínkách jeho zpracování a na vstupní biomase použité k jeho výrobě. V různých studiích klíčivosti semen využívající biouhly z různé rostlinné biomasy prokázaly pozitivní i negativní účinky na klíčení různých rostlinných druhů. Klíčivost semen a rychlost klíčení je možné zlepšit namáčením semen před výsevem do výluhů z biouhlu. V rámci pokusů byly vyrobeny biouhly z ořechových skořápek, lusků podzemnice olejné, výmětu po zpracování listů čajovníku, kávové sedliny a pomerančové kůry. Ošetření semen pšenice tvrdé a pohanky obecné nízkoteplotním plazmatem mělo pozitivní vliv na klíčení v závislosti na délce ošetření a použité aparatuře. Optimální délka ošetření pro semena pohanky byla 5 s u aparatury MSDBD a 10 s u aparatury DCSBD. Pro pšenici byly nejvhodnější podmínky ošetření v délce trvaní 5 a 20 s u aparatury DCSBD a 10 s u aparatury MSDBD. Měření kontaktního úhlu vody ukázalo, že díky ošetření semen nízkoteplotním plazmatem došlo ke zvýšení povrchové energie semene, což znamená zvýšení hydrofility povrchu semene a vede k lepšímu příjmu vody semene. U s

Anotace:

emen šalvěje hispánské, řeřichy seté a jitrocele vejčitého vytvářející kolem svého povrchu slizový obal po ošetření plazmovým zdrojem DCSBD došlo ke zvyšování rychlosti příjmu vody. Nejvyšší příjem vody byl zjištěn u semen šalvěje hispánské. U výluhu z biouhlu z použité kávové sedliny byla hodnota indexu klíčivosti výluhu o 89 % nižší ve srovnání s kontrolou. Podobně jako u vzorku torifikovaném při 250 °C, u kterého došlo k prokazatelnému snížení indexu klíčivosti výluhu, naopak semena řeřichy ošetřená výluhem z kávové sedliny upravené při 350 °C dosáhla nejlepší hodnoty indexu klíčivosti i délek kořínku a hypokotylu. Výsledky z výluhu z biouhlu z odpadního čaje ukazují, že nepyrolyzovaný vzorek a vzorek torifikovaný při 250 °C vykazují silný fytotoxický účinek na klíčení semen řeřichy. Při vyšších teplotách, konkrétně při 350 °C, zřejmě dochází k rozkladu látek, které mají nepříznivý vliv na klíčení semen, a tím i ke zlepšení klíčivosti. U ošetření semen pohanky výluhy z biouhlu z pomerančové kůry byl zjištěn pozitivní vliv na klíčení materiálem po úpravě na 450 °C. Naopak u semen pšenice měly lepší účinek výluhy z biouhlu připraveného při 550 °C.

Abstract:

For sustainable food and feed production, quality seed is a vital input for sustainable growth in agricultural production, as almost ninety percent of crops are grown from seed. Before sowing, the seeds should be protected from pathogens that can affect their germination and can threaten the health of the whole plant. For many of the chemical substances used for seed treatment before sowing, a negative effect on the environment and human health has been proven or can be assumed. One of the tasks of the research is to verify potential new approaches that will limit the negative effects of chemical protection on the environment and human health. Therefore, it is now urgently necessary to find technologies that will ensure high quality and safety of agricultural products and at the same time be environmentally friendly. This is also in accordance with Directive 2009/128/EC of the European Parliament and the Council of the EU, which aims to limit chemical treatment, and its requirements are reflected in the legislation of the Czech Republic. As part of my own work, two innovative seed treatment methods were tested to increase their germination, namely low-temperature plasma treatment and biochar leachate treatment. These methods were tested for their effect on seed germination of selected model plants: durum wheat, buckwheat, watercress, Spanish sage, red-eared sedge, plantain and flax. Germination represents one of the most important and vulnerable phases in the life cycle of plants. This is a complex physiological process, during which the dehydrated seed must first restore physiological activity, keep sustained intensity of metabolism and must complete the necessary cellular changes that are necessary for the growth of the embryo and subsequent growth of the plant. During low-temperature plasma treatment, seeds in the discharge region are directly affected by charged particles, reactive oxygen species (such as OH radicals, singlet oxygen, ozone, and hydrogen peroxide), electric fields, and UV radiation. That this type of seed treatment has application potential is also proven by a number of studies and the fact that this technology is already used in other fields for disinfection of surfaces (medicine, food industry). As part of the tests, MSDBD and DCSBD type apparatuses were used. Biochar is a porous carbonaceous material that is produced by the pyrolysis of plant biomass. Biochar can be applied to the soil as a soil supplement if the legislative conditions and the product has been registered. The effects of biochar on seed germination may vary depending on the type of plant and the type of biochar used, i.e. the conditions of its processing and the input biomass used for its production. In various seed germination studies, biochars from different plant biomass sources have shown both positive and negative effects on the germination of plants. Seed germination and germination rate can be improved by soaking the seeds in biochar extracts before sowing. As part of the experiments, biochars were produced from walnut shells, peanut pods, waste after processing tea tree leaves, coffee grounds and orange peel. Treatment of durum wheat and buckwheat seeds with non-thermal plasma had a positive effect on germination, depending on the length of treatment and the equipment used. The optimal length of treatment for buckwheat seeds was 5 s for the MSDBD apparatus and 10 s for the DCSBD apparatus. For wheat, the most suitable treatment conditions were 5 and 20 s for the DCSBD apparatus and 10 s for the MSDBD apparatus. Measurement of the water contact angle showed that the treatment of seeds with low-temperature plasma increased the surface energy of the seed, which means an increase in the hydrophilicity of the seed surface and leads to a better uptake of water by the seed. The rate of water uptake was increased in the seeds of Spanish sage, watercress and plantain, which formed a slime coating around their surface after treatment wit

Abstract:

h the DCSBD plasma source. The highest water uptake rate was found in the treated seeds of Salvia hispanica. For the biochar extract from used coffee grounds, the germination index of the extract was by 89% lower compared to the control. Similar to the sample torrefied at 250 °C, where there was a demonstrable decrease in the germination index of the extract. On the contrary, watercress seeds treated with the extract from coffee grounds torrefied at 350 °C achieved the best value of the germination index as well as longest root and hypocotyl. The results from tea waste biochar extracts showed that the non-pyrolyzed sample and the sample torrefied at 250 °C had a strong phytotoxic effect on cress seed germination. At higher temperatures, specifically at 350 °C, substances that have an adverse effect on seed germination were apparently broken down, and thus germination was improved. In treating buckwheat seeds with biochar extract from orange peel, a positive effect on germination was found with the material after torrefaction at 450 °C. On the contrary, extracts from biochar prepared at 550 °C had a better effect on wheat seeds.

Klíčová slova

nízkoteplotní plazma, MSDBD, DCSBD, biouhel, ošetření semen, extrakt, klíčení

Keywords

seed treatment, non-thermal plasma, MSDBD, DCSBD, biochar, extract, germination

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 29. 8. 2024

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: doc. Ing. František Hnilička, Ph.D.
• Oponent: Tomáš Středa, Bc., externi, Radka Podlipná, externi, Marianna Molnárová, externi

Česká zemědělská univerzita v Praze

Fakulta agrobiologie, potravinových a přírodních zdrojů

Doktorský studijní program:
Obecná produkce rostlinná