MODELOWANIE KINETYKI KIEŁKOWANIA NASION POMIDORA Z WYKORZYSTANIEM RÓWNANIA GOMPERTZA

Transkrypt

1 ISSN Acta Sci. Pol. Technica Agraria, 14(1-2) 2015, MODELOWANIE KINETYKI KIEŁKOWANIA NASION POMIDORA Z WYKORZYSTANIEM RÓWNANIA GOMPERTZA Siemowit Muszyski 1, Izaela wietlicka 1, Michał wietlicki 2, Boena Gładyszewska 1 1 Katedra Fizyki, Wydział Inynierii Produkcji, Uniwersytet Przyrodniczy w Lulinie 2 Katedra Fizyki Stosowanej, Wydział Mechaniczny, Politechnika Luelska Streszczenie. Celem pracy yła ocena moliwoci zastosowania równania Gompertza do opisu procesu kiełkowania pomidora zwyczajnego (Lycopersicon esculentum cv. Promyk). Testy kiełkowania przeprowadzono w piciu temperaturach (15 C, 20 C, 25 C, 30 C i 35 C) w warunkach laoratoryjnych. We wszystkich przypadkach uzyskano ardzo dore dopasowanie modelowego równania do danych dowiadczalnych, przy czym najgorsze dopasowanie (R 2 = 0,997) uzyskano dla nasion kiełkujcych w temperaturze 35 C, a w pozostałych przypadkach współczynnik determinacji wynosił R 2 = 0,999. Analiza parametrów równania Gompertza pozwoliła na wnikliw ocen przeiegu kinetyki kiełkowania nasion. Słowa kluczowe: kiełkowanie nasion, pomidor, temperatura, modelowanie matematyczne, równanie Gompertza WSTP Kiełkujce nasiona charakteryzuj si du wraliwoci na warunki termiczne i hydrologiczne, jak równie w sposó wyrany i natychmiastowy reaguj na wszelkie zewntrzne czynniki fizyczne. Zdolno kiełkowania nasion w warunkach klimatycznych Polski w wielu wypadkach nie osiga poziomu okrelonego przez normy jako- ciowe, a dojrzewanie nasion w niekorzystnych warunkach moe y jedn z przyczyn ich onionej wartoci. Zdolno przewidywania czasu pojawienia si siewek staje si Autor do korespondencji Corresponding author: Siemowit Muszyski, Katedra Fizyki, Wydział Inynierii Produkcji, Uniwersytet Przyrodniczy w Lulinie, ul. Akademicka 13, Lulin, siemowit.muszynski@up.lulin.pl Copyright y Wydawnictwo Uniwersytetu Przyrodniczego w Lulinie, Lulin 2015

2 62 E. Czerwiska, A. Szparaga wic niezdnym elementem zintegrowanego systemu zarzdzania produkcj upraw. Zagadnieniu temu powica si od dłuszego czasu coraz wicej uwagi przy aktywnym wsparciu specjalistów z innych dziedzin nauki [Hageseth i Joyner 1975, Hsu i in. 1984, Shafii i in. 1991, Shafii i Price 2001, O'Neill i in. 2004, Odaas i Mut 2007, Tjørve i Tjørve 2010]. Poniewa okres kiełkowania oraz wzrostu siewek charakteryzuje si najwyszym współczynnikiem miertelnoci [Fellner i Sawhney 2001], optymalizacja mechanizmów kontrolujcych czas rozpoczcia kiełkowania i jego przeieg moe zapewni siewkom wiksze szanse przetrwania oraz istotnie wpłyn na kocow jako plonów i ich warto rynkow [Benjamin 1982, Finch-Savage i Phelps 1993, Mesgaran i in. 2013]. Szykie i homogeniczne kiełkowanie dostarcza korzyci zarówno ekonomicznych, jak i rodowiskowych w rolnictwie czy ogrodnictwie, poniewa pozwala zwikszy stopie automatyzacji produkcji, kontrolowa rozwój chwastów oraz redukowa czynniki chorootwórcze. Ułatwia take wprowadzanie i optymalizacj nowych technologii precyzyjnej uprawy i produkcji rolinnej. Równie rosnca konkurencja na rynku nasienniczym wymusza na producentach zwracanie szczególnej uwagi na jako oferowanych produktów rolinnych, a tym samym okrelenie jasnych kryteriów przyjmowanych podczas kontroli jakoci. Przeprowadzanie testów kiełkowania oraz podawanie pewnych parametrów i wskaników kiełkowania oferowanych nasion staje si coraz czstsz praktyk produkcyjn oraz marketingow. Zmiany w jakoci nasion wpływaj istotnie na czasy potrzene na pojawienie si korzenia zarodkowego oraz uformowanie si siewki. Jako nasion charakteryzowana jest poprzez szereg czynników, takich jak zdolno kiełkowania, jako genetyczna i mechaniczna (w tym nieoecno zanieczyszcze w postaci innych nasion), jednolite kiełkowanie w krótkim odstpie czasu oraz nieoecno patogenów i grzyów. Innym parametrem charakteryzujcym jako materiału siewnego jest wigor nasion. Definiuje si go jako te cechy nasion, które okre- laj jego zdolno do szykiego i jednorodnego pocztkowego wzrostu w szerokim zakresie panujcych warunków rodowiskowych [van de Venter, 2001]. Modelowanie kinetyki kiełkowania nasion jest tematem licznych prac eksperymentalnych i teoretycznych. Mimo e kiełkowanie jest cigłym procesem przemian szeregu iologicznych aktywnoci w nasionach, w wikszoci modeli rozpatrywane jest ono od strony czysto praktycznej, ez analizy fizjologicznych procesów zachodzcych w nasieniu za kiełkowanie przyjmuje si prosty fakt wizualnej rejestracji przeicia si korzenia zarodkowego przez zewntrzne warstwy okrywy nasiennej. Matematyczne modele kiełkowania traktowane s wic głównie jako modele opisowe, dajce tylko ogólny oraz o podstawowych właciwociach dynamiki procesu [Ranal i de Santana 2006]. W 1988 r. Berry i współpracownicy analizowali moliwo opisu krzywej kiełkowania za pomoc uogólnionej postaci funkcji Richardsa [Berry i in. 1988]. Z funkcji tej, przy odpowiednim doorze wartoci poszczególnych parametrów równania, mona otrzyma wikszo funkcji sigmoidalnych logistyczn, autokatalityczn, funkcj Gompertza, funkcj monomolekularn oraz dystryuanty rozkładu normalnego i rozkładu gamma. Otrzymane wyniki pokazały, e dla krzywych kiełkowania wikszoci przeadanych nasion rolin uprawnych warto parametru okrelajcego kształt krzywej dyła do wartoci przypisanej funkcji Gompertza i równoczenie róniła si w najwikszym stopniu od wartoci odpowiadajcej funkcji logistycznej. Acta Sci. Pol.

3 ywotno i zdrowotno nasion rolin oleistych Oryginalne równanie Gompertza [Windsor 1932] dane jest w postaci: n c L = kg, (1) gdzie k, g, c i n s pewnymi stałymi. Równanie to przedstawiane jest oecnie w postaci, w której stałe g i c równe s liczie Eulera e, a stała n jest liniow funkcj pewnej zmiennej. Niech do modelowania krzywej kiełkowania stosowana dzie funkcja Gompertza w postaci: t p t = y ( t ) y m exp e, (2) gdzie t p oznacza czas przegicia krzywej [h], parametr kształtu krzywej [h]. Funkcja ta posiada asymptoty w punktach y = 0 oraz y = y m oznaczajc kocow zdolno kiełkowania [%]. Pierwsza pochodna funkcji, okrelajca tempo kiełkowania, dana jest wzorem: dy dt za druga pochodna równania (2) ma warto: t p t = 1 ye, (3) 2 d y 1 = 2 2 dt ye t p t e t p t 1. (4) Miejsce zerowe równania (4) wyznacza punkt przegicia krzywej (2). Warto funkcji w punkcie przegicia jest równa: ym y p =, (5) e czyli gdy wykiełkuje 37% wszystkich nasion posiadajcych zdolno kiełkowania. Wzgldne tempo kiełkowania wyraone w funkcji czasu ma posta: dy dt t p t za wyraone w funkcji liczy kiełków per capita: dy dt 1 1 = y 1 = 1 e, (6) y y m ( ln ym ln y) = ln y 1. (7) Technica Agraria 14(1-2) 2015

4 64 E. Czerwiska, A. Szparaga Wzgldne tempo kiełkowania w punkcie przegicia ma warto: dy p 1 1 =. (8) dt y Odwrotno parametru kształtu krzywej Gompertza okrela zatem wzgldne tempo kiełkowania w punkcie przegicia krzywej. Warto ta, oznaczana jako k, jest równa maksymalnemu tempu kiełkowania, jak osiga modelowana populacja nasion: p ym k = (8) e Celem prezentowanej pracy yło wykorzystanie matematycznego modelu opartego na równaniu Gompertza do opisu procesu kiełkowania nasion pomidora. MATERIAŁY I METODY Dane uzyskane podczas testów kiełkowania pomidora zwyczajnego (Lycopersicon esculentum cv. Promyk) pochodz z pracy [Gładyszewska 1998]. Testy kiełkowania nasion pomidora przeprowadzono na płytkach w siedmiu powtórzeniach po 100 nasion. Temperatury kiełkowania wynosiły 15 C, 20 C, 25 C, 30 C i 35 C. Płytki umieszczone yły w komorze termicznej zapewniajcej warunki izotermiczne (±1 C). Przed wysianiem nasion płytki Petriego wraz z iułami zostały wysterylizowane w temperaturze 150 C w czasie 30 min. Nasiona umieszczano na ostudzonych płytkach, gdy te osignły ju temperatur pokojow (20 ±3 C). Nasiona kiełkowały ez dostpu wiatła, a zlicze dokonywano w odstpach kilkugodzinnych. Za wykiełkowane przyjmowano nasienie, które uformowało korze zarodkowy o długoci co najmniej 2 mm. W trakcie eksperymentu utrzymywano stał wilgotno iuły przez równomierne dozowanie wody destylowanej do wszystkich płytek. Równania rozpatrywanych modeli rozwizane zostały w sposó analityczny, a otrzymane funkcje dopasowane zostały numerycznie przy uyciu programu TaleCurve2D 5.01 (SYSTAT Software), w których do minimalizacji funkcji łdu kwadratowego 2 stosowano algorytm Levenerga-Marquardta. Jako miar dokładnoci dopasowania krzywych teoretycznych do danych empirycznych przyjto współczynnik determinacji nieliniowej R 2. WYNIKI BADA I ICH ANALIZA Analizujc kształt krzywych przedstawiajcych zalenoci liczy wykiełkowanych nasion w funkcji czasu, mona stwierdzi, e w temperaturach, z wyjtkiem najwyszej temperatury 35 C, nasiona kiełkowały w podony sposó (rys. 1). Krzywe kiełkowania s typowymi krzywymi sigmoidalnymi, zatem uzasadnione stało si aproksymowanie ich równaniem Gompertza. We wszystkich przypadkach uzyskano ardzo dore dopa- Acta Sci. Pol.

5 ywotno i zdrowotno nasion rolin oleistych sowanie modelowego równania do danych dowiadczalnych, o czym wiadczy wysoka warto współczynnika determinacji, przy czym najgorsze dopasowanie (R 2 = 0,997) sporód adanych uzyskano dla nasion kiełkujcych w temperaturze 35 C. Zdolno kiełkowania (%) Czas (h) Rys. 1. Dopasowanie krzywej Gompertza do danych zeranych podczas testów kiełkowania nasion pomidora kiełkujcych w rónych temperaturach Fig. 1. Gompertz equation fit to the data collected during the germination tests of tomato seeds at different temperatures Taela 1. Wartoci parametrów y max, t p i równania Gompertza dla nasion pomidora kiełkujcych w rónych temperaturach, R 2 współczynnik determinacji dopasowania równania Gompertza oraz k maksymalne tempo kiełkowania Tale 1. The values of the Gompertz equation parameters y max, t p and of tomato seeds germinating at different temperatures, R2the coefficient of determination and k the maximum germination rate Temperatura y max t p R 2 k [ C] [%] [h] [h] (% h -1 ) 15 94,64 129,12 26,46 0,999 1, ,34 68,17 8,78 0,999 3, ,76 34,86 6,2 0,999 5, ,27 40,58 9,07 0,999 3, ,46 51,8 26,21 0,997 0,08 Wyliczone wartoci parametrów równania Gompertza (ta. 1) pozwalaj na szczegółow charakterystyk przeiegu kiełkowania. Parametr y max odpowiada kocowej Technica Agraria 14(1-2) 2015

6 66 E. Czerwiska, A. Szparaga zdolnoci kiełkowania, a jego warto zaley od temperatury kiełkowania i maleje wraz z jej wzrostem. Najwysz zdolno kiełkowania, wynoszc ponad 94%, posiadały nasiona kiełkujce w temperaturze 15 C. Cieplejsze warunki kiełkowania (20 i 25 C) powodowały nieznaczne onianie si zdolnoci kiełkowania, która istotnie, do 80%, oniyła si w temperaturze 30 C oraz gwałtownie spadła do wartoci ok. 5% w przypadku skrajnej temperatury 35 C. Kolejny parametr t 0 pozwala okreli wpływ temperatury na czas kiełkowania. Zgodnie z równaniem (4), okrela on czas, w którym wystpuje przegicie krzywej kiełkowania, co w przypadku rozpatrywanego równania Gompertza, zgodnie z równaniem (5), odpowiada czasowi potrzenemu do wykiełkowania 37% nasion. Wida, e czas ten zaleał w sposó istotny od temperatury, pocztkowo malejc dwukrotnie wraz z kadym zwikszaniem temperatury o 5 C, od ok. 129 h dla 15 C, poprzez 68 h dla 20 C, a do ok. 35 h dla 30 C. Dalszy wzrost temperatury powodował sukcesywne wydłuenie potrzenego czasu, do wartoci ok. 41 h i 52 h, odpowiednio dla temperatur 30 i 35 C. Maksymalne wzgldne tempo kiełkowania (h -1 ) Temperatura ( o C) Rys. 2. Wykres maksymalnego tempa kiełkowania wyraonego jako 1/, gdzie jest parametrem kształtu równania Gompertza, dla nasion pomidorów kiełkujcych w rónych temperaturach. Poprowadzone odcinki maj jedynie charakter pogldowy i nie reprezentujadnych zalenoci funkcyjnych Fig. 2. Graph of the maximum germination rate expressed as 1/, where is the shape parameter of Gompertz equation for tomato seeds germinated at different temperatures. Fitted lines are for reference only and does not represent any functional dependencies Analiza ostatniego parametru równania Gompertza pozwala na stwierdzenie innej ciekawej zalenoci. Wartoci parametru kształtu krzywej s w przylieniu takie Acta Sci. Pol.

7 ywotno i zdrowotno nasion rolin oleistych same dla dwóch par temperatur: 15 C i 35 C oraz 20 C i 30 C. Oznacza to, e wzgldne kinetyki kiełkowania per capita w powyszych parach temperatur s do sieie podone. Na rys. 2 przedstawiono zaleno maksymalnego wzgldnego tempa kiełkowania, wyraonego jako 1/, w funkcji temperatury. Najwiksze wzgldne tempo kiełkowania osigaj nasiona trzymane w temperaturze 25 C, a rozkład tego tempa w pozostałych temperaturach jest wzgldem niej prawie idealnie symetryczny. Przedstawiono to na rys. 3, gdzie krzywe kiełkowania opisane równaniem Gompertza zostały unormowane wzgldem odpowiednich wartoci y max uzyskanych dla poszczególnych temperatur. By wyraniej yło wida podoiestwo, krzywe kiełkowania dla odpowiednich par temperatur (15 C i 35 C oraz 20 C i 30 C) przesunito na osi czasu w taki sposó, ay unormowane zdolnoci kiełkowania pokrywały si ze so w wartociach równych 0,5. Unormowana zdolno kiełkowania ( ) Unormowany czas (h) Rys. 3. Unormowane krzywe kiełkowania nasion pomidorów kiełkujcych w wyranych temperaturach. Krzywe kiełkowania przesunito na osi czasu w taki sposó, ay wartoci unormowanych zdolnoci kiełkowania równe 0,5 pokrywały si ze so dla par temperatur 15 C i 35 C oraz 20 C i 30 C Fig. 3. Normalized germination curves of tomato seeds germinated at selected temperatures. Germination curves are readjust on the time axis in such a way that the normalized germination capacities for each pair of temperatures 15 C 35 C and 20 C 30 C overlapped each other at the values of 0.5 Na podstawie otrzymanych wartoci parametrów równania Gompertza okrelono temperatur 25 C jako optymaln, w której kiełkujce pomidory charakteryzuj si wysok zdolnoci kiełkowania w najkrótszym czasie, co wida równie na rys. 1. Za- Technica Agraria 14(1-2) 2015

8 68 E. Czerwiska, A. Szparaga kres temperatur poniej tej wartoci dzie wic suoptymalnym zakresem temperatur kiełkowania, powyej supraoptymalnym. Potwierdzaj to równie wartoci maksymalnej ezwzgldnej tempa kiełkowania k, wyliczonej z parametrów i y max na podstawie zalenoci (8) przedstawione w taeli 1. Kiełkowanie nasion w temperaturze 25 C przeiega najardziej jednorodnie, co potwierdza fakt, e a 5,5% wszystkich wysianych nasion tworzy korzenie zarodkowe w punkcie przegicia krzywej Gompertza. W pozostałych temperaturach homogeniczno kiełkowania nasion nie jest a tak wielka, i np. w temperaturze 15 C, w której osignito najwysz zdolno kiełkowania, maksymalnie jedynie 1,31% nasion kiełkuje w tym samym czasie. WNIOSKI 1. W wyniku przeprowadzonych ada mona stwierdzi, e model Gompertza ardzo dorze nadaje si do modelowania przeiegu kiełkowania nasion w szerokim zakresie temperatur, niezalenie od tego, jaka kocowa zdolno kiełkowania jest w danej temperaturze osigana. 2. Na podstawie analizy parametrów modelu stwierdzono, e optymaln temperatur kiełkowania nasion pomidorów jest temperatura 25 C. W temperaturze tej nasiona kiełkuj najszyciej, w sposó najardziej jednorodny, osigajc ardzo wysok kocow zdolno kiełkowania. 3. Chocia istnieje podoiestwo przeiegu kinetyki kiełkowania w su- i supraoptymalnym zakresie temperatur, przekraczanie temperatury optymalnej nie jest zalecane ze wzgldu na oserwowany gwałtowny spadek kocowej zdolnoci kiełkowania wraz ze wzrostem temperatury. PIMIENNICTWO Benjamin, L.R. (1982). Some effect of different times of seedling emergence, population density and seed size on root size variation in carrot populations. J. Agricult. Sci., 98, Berry, G.J., Cawood, R.J., Flood, R.G. (1988). Curve fitting of germination data using the Richards function. Plant Cell Environ., 11, Fellner, M., Sawhney, V.K. (2001). Seed germination in a tomato male-sterile mutant is resistant to osmotic, salt and low-temperature stresses. Theoret. Appl. Gen., 102, Finch-Savage, W.E., Phelps, K. (1993). Onion (Allium cepa L.) seedling emergence patterns can e explained y the influence of soil temperature and water potential on seed germination. J. Exp. Bot., 44, Gładyszewska, B. (1998). Ocena wpływu przedsiewnej laserowej iostymulacji nasion pomidorów na proces ich kiełkowania. Wydz. Techniki Rolniczej. AR w Lulinie (rozpr. dokt.). Hageseth, G.T., Joyner, R.D. (1975). Kinetics and thermodynamics of isothermal seed germination. J. Theor. Biol., 53, Hsu, F.H., Nelson, C.J., Chow, W.S. (1984). A mathematical model to utilize the logistic function in germination and seedling growth. J. Exp. Bot., 35, Mesgaran, M.B., Mashhadi, H.R., Alizadeh, H., Hunt, J., Young, K.R., Cousens, R.D. (2013). Importance of distriution function selection for hydrothermal time models of seed germination. Weed Res., 53, Acta Sci. Pol.

9 ywotno i zdrowotno nasion rolin oleistych Shafii, B., Price, W.J., Swensen, J.B., Murray, G.A. (1991). Nonlinear estimation of growth curve models for germination data analysis. The Third Conference On Applied Statistics In Agriculture. Kansas State University, Manhattan, KS, Shafii, B., Price, W.J. (2001). Estimation of cardinal temperatures in germination data analysis. J. Agricult. Biol. Environ. Stat., 6, O Neill, M.E., Thomson, P.C., Jacos, B.C., Brain, P., Butler, R.C., Turner, H., Mitakda, B. (2004). Fitting and comparing seed germination models with a focus on the inverse normal distriution Austral. New Zealand J. Statist., 46, Odaas, M.S., Mut, Z. (2007). Modeling the effect of temperature on percentage and duration of seed germination grain legumes and cereals Am. J. Physiol., 2, Ranal, M.A., de Santana, D.G. (2006). How and why to measure the germination process? Rev. Brasil. Bot., 29, Tjørve, E., Tjørve, K.M.C. (2010). A unified approach to the Richards-model family for use in growth analyses: Why we need only two model forms. J. Theor. Biol., 267, van de Venter, A. (2001). What is seed vigour? J. New Seeds, 2(3), Windsor, C.P. (1932). The Gompertz curve as a growth curve. Proc. Nat. Acad. Sci., 18, 1 8. MODELING TOMATO SEED GERMINATION KINETICS WITH GOMPERTZ EQUATION Astract. The aim of the study was to evaluate the applicaility of the Gompertz equation to descrie the process of germination of tomato seeds (Lycopersicon esculentum cv. Promyk). Germination tests were carried out at five temperatures (15 C, 20 C, 25 C, 30 C and 35 C) under laoratory conditions. In all cases an excellent fit of the model equation to the experimental data was otained, the worst fit (R 2 = 0.997) was achieved for seeds germinated at 35 C, for all other cases R 2 reached 0,999. Analysis of the parameters of Gompertz equation allowed for a detailed evaluation of kinetics of tomato seed germination. Key words: seeds germination, tomato, temperature, mathematical modeling, Gompertz equation Technica Agraria 14(1-2) 2015