Введение к работе
Актуальность темы исследований. Не только экономическая, но и экологическая эффективность растениеводства сегодня во многом определяется тем, насколько эффективно сельскохозяйственные культуры используют элементы минерального питания, в особенности азот, из удобрений. Физиолого-генетические аспекты этой проблемы изучались P.B.Vose (1963), Э.Л.Климашевским (1974, 1985, 1991), G.C.GerlofT(1963, 1976), T.Irigestad (1979, 1982) и многими другими.
Для её разрешения большое значение имеет построение моделей, связывающих те или иные показатели эффективности использования азота с другими морфологическими и физиологическими параметрами. Попытки построения таких моделей постоянно предпринимаются отечествеными и зарубежными исследователями (Андреева, 1982,1987; Duarte & Larsson, 1993; Paponov et al., 1996; Алёхина и др, 1996). Каждая из них, ввиду сложности и многогранности проблемы, затрагивает лишь один какой-либо аспект проблемы.
Между тем, практически не изучались эти взаимосвязи у растений с генетически детерминированными различиями по донор-но-акцепторным отношениям, например, различных морфотипов гороха: с обычным листом и с измененным, имеющим так или иначе преобразованную листовую пластинку.
Цель и задачи исследований. Целью работы было изучение взаимосвязей между эффективностью использования азота морфоти-пами гороха и их морфофизиологическими характеристиками.
В задачи исследования входило:
1.Выявить особенности роста и развития растений разных морфотипов для изогенных линий и сортов.
2.Изучить влияние обеспеченности растений разных морфотипов минеральным азотом на агрохимическую эффективность его использования и определить морфотипы, полярные по этому признаку.
3.Найти взаимосвязи между агрохимической эффективностью использования азота и онтогенетическими характеристиками формирования ассимиляционного аппарата у растений разных морфотипов.
4.0пределить зависимость азотной продуктивности как показателя физиологической эффективности использования азота от его концентрации в растении у полярных морфотипов.
5.С помощью математических моделей оценить вклад различных морфофизиологических параметров в детерминацию эффективности использования азота при разных его концентрациях в тканях.
Научная новизнагВпгрвые описаны различия между морфоти-
Цсн гральная" і'
Мое:: г «,.;. Рлто ачадвмии
пами гороха по эффективности использования азота на формирование урожая Установлено, что для разных концентраций азота в растении эффективность его использования горохом связана с различными морфофизиологическими показателями- вкладом листьев и прилистников в общую биомассу растения, удельной листовой поверхностью, поверхностной плотностью азота и другими параметрами.
Теоретическая и практическая значимость работы. Найденные закономерности изменения эффективности использования азота чорфотипами могут быть . рименены при анализе влияния различных доз удобрений на урожайность, белковую продуктивность и сим-биотический потенциал разных форм гороха и других культур. На их основе могут быть разработаны критерии для селекционно-генетических исследований и решения прикладных задач растениеводства - таких, :ак подбор сортов, оптимальных для климатических условий зоны, характеристик почвы, системы удобрений культур.
Апробация работы. Основные положения работы были доложены на заседаниях кафедры физиологии растений МСХА им. К.А.Тимирязева (1993-1996 г.г), на 3-й и 4-й конференциях СОИ-САФ (1994 и 1996 гг.), на научных конференциях МСХА им. К.А.Тимиря-зева (1995 и 1996 г.г) и на Международной конференции Общества физиологов растений в Пензе (1996 г)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 печатных работы и ешё 3 находятся в печати.
Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 100 страницах машинописного текста, содержит 29 рисунков, 18 таблиц, 2 приложения. Список литературы включает 139 источников, в том числе 82 иностранных.
Работа выполнялась на кафедре физиологии растений МСХА. Было проведено две серии вегетационных опытов - в песчаной культуре и водной (1993-96г.г.) В первой серии проводилось сравнительное изучение эффективности использования азота на формирование урожая изогенными линиями и сортами гороха, различающимися по морфотипу - наследственно детерминированной форме листовой пластинки. Во второй изучались зависимости между эффективностью использования азота на построение вегетативной массы и морфофизиологическими параметрами растений двух полярных морфотипов.
Изогенные лі'чии, использованные в опытах с песчаной культурой и установочных экспериментах с водной культурой, были полу-
чены из сортового материала проф.Ю.Л.Гужовым. Генотипы этих растений различались только по одному гену, аллели которого определяют четыре варианта формы листовой пластинки: обычную - использовалась как контроль," усатую" - листочки редуцируются, вместо них образуются усики, акациевидную - усики на концах листьев преобразуются в дополнительные листочки и "букетную" - многокра-тнонепарноперистая пластинка. Из сортов в эксперименте участвовали следующие: Орловчанин:2 - обычный лист, Орлус - усатый, Спрут-2 - усатый, AZ-26 -"хамелеонный" - до начала цветения растение образует усатые листья, а затем - обычные. Сортовые семена были получены из НПО ЗБК "Орел". В основных опытах с водной культурой использовались семена двух линий, выделенных из сорта Норд,- Н-85 -обычная, контроль и Н-9Г- афильная, опыт. Семена этих линий были любезно предоставлены нам Г.А. Дебелым, НПО "Подмосковье".
Опыты с водной культурой проводили по методике Ingestad, (1979) в световых шкафах кафедры физиологии растений. Семена гороха двух морфотипов калибровали по массе (разброс в пределах 5%),обрабатывали концентриро ванной серной кислотой и замачивали в 5 мМ растворе СаБОд. На 5-й день после замачивания проростки калибровали по длине и толщине корешка и высаживали по 50-55 штук на специальные парафиновые пластинки в стеклянные сосуды с питательной смесью Хогланда без азота в модификации Ericsson et al„ (1982). Перед высаживанием семядоли удаляли. На 12-й день растения калибровали по размерам первого листа и пересаживали по одному в стеклянные сосуды на деревянные парафинированные крышки. Выращивали при периодической аэрации питательного раствора,освещенности 200 мкМ квантов*м2*с-1 и фотопериоде 16 ч. Ежедневно проводили коррекцию рН и через каждые три дня - смену раствора в сосудах во избежание его истощения.
Начиная с 19-23 дня ежедневно в 14 часов в каждый сосуд добавляли азот в форме нитрата кальция в количестве, составляющем определенную долю от имеющегося к этому моменту в растении (экспоненциально возрастающем). Содержание азота после добавления рассчитывалось по следующей формуле:
':'--. N;=N«-i*eR где Ni - количество азота в растении в момент t, Nt-i - количество азота в предыдущий день, R=OCP - норма азота, равная предпологаемой относительной скорости роста, е - основание натуральных логарифмов. Количество добавляемого азота вычислялось как Ni-i-Nt.. Были использованы варианты R=6%,9%,12%,15% и избыточное добавление азота (R>50%). Экспоненциальное добавление позволяло поддержи-
вать постоянными внутреннюю концентрацию азота в растении и соотношение "корень-побег" в промежутке между отборами проб (так называемый режим "steady-state" по Ingestad, 1979).
На 21, 28 и 35 день проводили отбор проб. Определяли сырую и воздушно-сухую массу по органам, площадь листьев или усиков и прилистников, длину стеблей, интенсивность темнового дыхания по органам и концентрацию общего и нитратного азота по органам, згтем рассчитывали содержание восстановленного азота (СА). Площадь органов измеряли на электронном планиметре LH-1000, интенсивность дыхания опредетяли по выделению СО: с помощью инфракрасного газоанализа юра ГИП10-МБ2.
На основании полученных значений вычисляли относительную скорость изменения (ОСИ) массы, плошади ассимилирующих органов, длинь. стеблей и накопления азота в органах по формуле:
OCH=(lnWj-lnW,)/t, где Wi - значение параметра в начале, a W; - в конце временного интервала, t - количество дней (Кvet et al., 1971) Рассчитывали удельную листовую поверхность ассимилирующих органов (УЛП), удельную поверхностную плотность (УПП - массу листа в г на единицу площади), поверхностную плотность азота (ППы - количество азота в мг на единицу площади) и некоторые другие параметры. В соответствии с подходом Ingestad в качестве показателя эффективности использования азота вычисляли азотную продуктивность (АП) всего растения и отдельно по органам по следующей формуле:
АП=ОСР/СА где ОСР - относительная скорость роста Использование режима "steady-state" дало возможность изучить влияние внутренней концентрации на взаимосвязи между АП и другими параметрами.
Вегетационные опыты с песчаной культурой проводились по стандартной методике.Сосуды с песком заправляли питательной смесью Кнопа без азота. В половину сосудов добавляли азот в дозе 517 мг - высокая норма, во вторую - 60 мг на сосуд - низкая (стартовая) доза. Соответственно, с каждой линией и каждым сортом закладывали по два варианта - с высокой (Ni) и низкой (No) обеспеченностью минеральным N. Проводили три отбора проб: в начале цветения, в начале налива бобов и в^ момент созревания семян (учет урожая). Помимо параметров- учитывавшихся в опытах с водной культурой, вели фенологическое наблюдение, измеряли (в первых двух отборах) количество и массу клубеньков на одно растение, массу цветов и бобов, дыхание клубенькез. цветов и бобов, при учете урожая - количество бобов и семян на одно растение, массу створок и семян. Все приводи-
мые далее численные значения представляют собой усреднение по 7-9 растениям, биологическая повторность - не менее 180 растений на вариант. Стандартное отклонение составляло не более 10%. Значения НСР даются для уровня значимости 0.05.
