Введение к работе
Актуальность проблемы. Поиск путей рационального ведения сельского хозяйства на основе адаптивного потенциала высших растений немысшм без изучения влияния на растения почвенных факторов. Для северо-восточной зоны России характерны пестрота почвенного покрова, значительные площади кислых дерново-подзолистых появ с низким естественным плодородием (73% пашни). Токсичность ионов А1э+ - важнейший фактор, лимитирующий рост-растеиий на таких почвах. Использование возможностей самих растений противодействовать стрессу в зоне корней позволило многим странам мира, таким как Мексика, Бразилия, Китай, добиться значительных успехов в интенсификации сельскохозяйственного производства. В то же время физиолого-биохимические основы устойчивости до конца не поняты, хотя и изучаются активно во всем мире. Поэтому оценка взаимосвязи различных фнзио-лого-биохнмическнх параметров с уровнем кислотоустойчивости растений в лоч-векно-климатических условиях Кировской обл., степени участия различных биохимических процессов в определении уровня устойчивости растений к стрессу, а также возможности управления этим уровнем, является актуальной проблемой.
Цель исследования. Данные о механизмах и генетическом контроле кислотоустойчивости большинства видов сельскохозяйственных культур достаточно противоречивы; физиологический анализ причин повреждения растений на кислых почвах далек от завершения. В связи с этим, целью исследований было изучение онтогенетических и филогенетических аспектов эдафической устойчивости растений, оиенки адаптационного потенциала сортов и видов культивируемых растений, роли экологических и генетических факторов в формировании потенциала устойчивости к эда-фическому стрессу и поиск путей целенаправленного управления им.
Задачи исследования.
-
Выяснить степень влияния кислотности почвы на химический состав растений и популяиионную структуру фито ценозов;
-
Теоретически и практически разработать методику лабораторного скрининга сельскохозяйственных культур на алюмоустончивость;
-
Дифференцировать видовой и сортовой материала сельскохозяйственных растений для выделения форм, контрастных по кислотоустойчивости;
-
Оценить вклад частных механизмов в общий уровень устойчивости растений к повышенной кислотности;
-
Изучить взаимосвязь алюмо- и засухоустойчивости растений;
-
Оценить влияние кислотности среды роста на изменение относительных потребностей растений в макроэлементах минерального питания;
-
Выявить причины несовпадения лабораторных и полевых оценок кислотоустойчивости сельскохозяйственных растений;
-
Оценить вклад экологических и генетических факторов в формирование потенциальной кислотоустойчивости растений;
-
Выявить возможности целенаправленного управления адаптивным потенциалом сельскохозяйственных растений.
Основные положения, выносимые на защиту:
Под воздействием эдафического стресса происходит изменение относитель
ных потребностей растений в М, Р и К. Изменение формы азотного улобрения
не только меняет условия азотного питания, но существенно влияет на по
требности растений в фосфоре и калии и их реакцию на стресс;
Эдафический стресс приводит к количественным и качественным сдвигами в
работе генетических систем пластичности, адаптации и микрораспределения
пластики между органами растений;
* Использование биохимических параметров оценки, характеризующих кон
кретный механизм устойчивости, менее информативно, чем использование
интегральных показателей роста корневых систем. Вклад отдельных биохи
мических параметров устойчивости в комплексную реакцию растения на
стресс на разных стадиях адаптационного процесса значительно варьирует;
Более высокая потенциальная продуктивность сорта зависит не от наличия
конкретного механизма устойчивости, а от сбалансированной работы системы
корень-росток под действием стресса н большей устойчивости развития фото-
синтетического аппарата;
Различия в скорости прохождения адаптационно і х> процесса между внутри-сортовыми группами растений, выявленные на стадии 4-дневных проростков, сохраняются на последующих фазах развития. Наличие внутри изученных сортов высокоустойчивых растений позволяет преодолеть теоретический барьер в создании устойчивых и одновременно высокопродуктивных сортов;
Два типа адаптации растений (филогенетический и онтогенетический) дают возможность управлять адаптивным потенциалом растений как селекционным, так и агротехническим путями.
Научная новизна исследований. На примере зерновых и зернобобовых культур изучена роль постулированных в литературе механизмов кислотоустойчивости в интегральной реакции растений на эдафический стресс. Теоретически обоснован метод рулонной культуры, применимый для скрининговых и исследовательских работ но кислотоустойчивости растений. Предложен новый диагностический показатель -"процент врастания" корней в тестирующую жидкость. Проведен статистический анализ взаимосвязи агрономической кислотоустойчивости сортов овса со степенью изменения таких характеристик корневых систем, как длина, катионообменная емкость, окислительная активность, коэффициент врастания в тестирующую жидкость. Впервые показано, что механизмы алюмоустойчивости не различаются между сортами и видами растений. Различия в уровне устойчивости объясняются различным вкладом конкретных механизмов в интегрированный ответ растений на стресс. Впервые продемонстрирована способность дикорастущих видов растений дифференцироваться на различные экотипы, при этом развитие растений находится в большей зависимости от видового состава фитоценоза, чем от наличия стрессовых эдафических факторов. Автором показано, что кислотность почвы сама по себе не является фактором, определяющим возможность произрастания того или иного вида растений на почве с определенным уровнем рН. По мнению автора, в составе щученных сортов зерновых культур можно выделить устойчивые растения и на их основе формировать высокоустойчнвые популяции. Показана возможность филогенетического (селекционным путем) и онтогенетического (изменение соотношения макроэлементов в среде роста; обработка семян фитогормоиами; создание ботани-
6 ческих смесей растений) путей управления уровнем кислотоустойчивости растений,
сочетания в одном генотипе высокой устойчивости и продуктивности. Впервые на большом объеме исследованного материала показано, что место репродукции семян оказывает значительно большее влияние на уровень кислотоустойчивости сорта, чем место его выведения. В работе впервые использована методика оценки количественных и качественных сдвигов в работе генетических систем адаптивности и пластичности растений применительно к действию эдафического стресса.
Практическая значимость исследований. Скрининг растений на алюмоустой-чивость позволил выделить контрастные по устойчивости сорта зерновых и бобовых культур, которые могут быть использованы в качестве исходного материала в селекции на кислотоустойчивость. С использованием результатов исследований селекционерами НИИСХ Северо-Востока и Фаленской селекционной станции выведены и переданы на государственное сортоиспытание новый сорт гороха Фламинго и сорт овса Кречет, которые наряду с ценными хозяйственно-биологическими показателями характеризуется и высокой кислотоустойчивостью.
Апробация работы. Результаты исследований доложены и обсуждены на 15 ре^ гиональных и всероссийских научно-практических конференциях, на международных конференциях: "Проблемы сельскохозяйственного производства в изменяющихся экономических н экологических условиях" Смоленск, 1999; "Актуальные вопросы экологической физиологии растений в XXI веке" Сыктывкар, 2001; "Генетические ресурсы культурных растений" С-Пб, 2001; "Продукционный процесс сельскохозяйственных культур", Орел, 2001; EUCARPIA Rye meeting, Radzikow, Poland, 2001; VIII и IX Intern. Symp. "Ecological Aspects of Mechanization of Plant Produaion", Warszawa, Poland, 2001, 2002; "Экология северных территорий России. Проблемы, прогноз ситуации, пути развития, решения", Архангельск, 2002; "Research and progress in plant breeding", Dotnuva, Lithuania, 2002; "Современные проблемы природопользования, охотоведения и звероводства", Киров, 2002; "Питание - здоровье - биологические ресурсы", Киров, 2002; 11 Intern. Conf. Sustainable Agricuffure for Food, Energy and Industry, Beijing, China, 2002; 9th IWOO Diabrotica Subgroup Meeting and 8th EPPO ad hoc Panel. - Belgrade, 2002.
7 Личный вклад соискателя. Результаты, представленные в главе 3 диссертации,
получены в совместной работе с канд. биол. наук Т.Л, Егошнной (ВНИИ охотничьего хозяйства и звероводства), канд. биол. наук Л.Н. Шиховой (НИИСХ Северо-Востока), и доктором с.-х. наук Г.А. Баталовой (НИИСХ Северо-Востока), Остальные результаты получены автором лично.
Публикации. Основные положения диссертации представлены в 58 печатных работах, в том числе 37 в отечественных и зарубежных рецензируемых научных журналах и сборниках трудоь международных и всероссийских научных конференций и снмпозиумов и одной монографии.
Структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 305 страницах машинописного текста, состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов, списка литературы. Работа включает 37 рисунков, 87 таблиц и 16 приложений. Список литературы содержит 810 наименований,
