Содержание к диссертации
Введение
1. Роль красного света в регуляции роста и морфогенеза растений
1.1. Фотоморфогенез и фоторецепторы 11
1.2. Фоторегуляторные пигменты красного света и механизм передачи светового сигнала 15
1.3. Фотокорректирующие полимерные пленки - светофильтры лучистой энергии 21
1.4. Полисветановый эффект 26
2. Материалы и методики исследования 32
2.1. Объекты исследования 32
2.2. Выращивание растений 36
2.3. Морфометрические измерения 41
2.4. Определение фотосинтетических пигментов 43
2.5. Определение эндогенных фитогормонов 44
2.5.1. Выделение фитогормонов 44
2.5.2. Количественное определение фитогормонов 45
3. Рост и развитие Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. дикого типа Ler и мутантов hy3 И hy4 под фотокорректирующеи пленкой с максимумом люминесцентного излучения 617 нм 48
3.1. Рост и развитие Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. дикого типа Ler и мутанта hy4 под фотокорректирующей пленкой на белом свету с добавлением УФ излучения 48
3.2. Особенности фотосинтетического аппарата Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. дикого типа Ler и мутанта hy4 при выращивании на белом свету под фотокорректирующей пленкой с добавлением УФ излучения 60
3.3. Рост и развитие растений Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. мутанта hyS под фотокорректирующей пленкой на белом свету с добавлением УФ излучения 67
3.4. Рост, развитие и особенности гормонального баланса Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. дикого типа Ler и мутантов hy3 и ку4 под фотокорректирующей пленкой на белом свету с короткой экспозицией УФ излучения 69
4. Развитие и плодоношение белокочанной капусты при выращивании под фотокорректирующей пленкой с максимумом люминесцентного излучения 617 нм 77
4.1. Особенности роста и фотосинтетического аппарата капусты сорта «Надежда» под фотокорректирующей пленкой при оптимальных метеоусловиях 77
4.2. Влияние изменения освещенности и температуры на жизнедеятельность капусты под фотокорректирующей пленкой 81
5. Развитие и продуктивность редьки при выращивании под фотокорректирующей пленкой с максимумом люминесцентного излучения 617 нм 86
Выводы 91
Список литературы 94
- Фоторегуляторные пигменты красного света и механизм передачи светового сигнала
- Фотокорректирующие полимерные пленки - светофильтры лучистой энергии
- Особенности фотосинтетического аппарата Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. дикого типа Ler и мутанта hy4 при выращивании на белом свету под фотокорректирующей пленкой с добавлением УФ излучения
- Особенности роста и фотосинтетического аппарата капусты сорта «Надежда» под фотокорректирующей пленкой при оптимальных метеоусловиях
Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЯ. Свет для растений -важнейший фактор окружающей среды. Он является не только источником энергии для фотосинтеза, но и выступает регулятором всех сторон (жизнедеятельности растительного организма. Его регуляторная роль проявляется благодаря наличию специфических фоторецепторов, поглощающих очень узкие участки ФАР. Регулируемые светом процессы нуждаются в небольшой энергии, но очень требовательны к его спектральному составу (Воскресенская, 1975). При изменении в световом потоке одного из участков спектра наблюдаются изменения в морфогенезе растений, так как нарушается передача сигнала в системе фоторегуляции (Карначук, 1989; Deng, 1994). Светофильтры являются одними из наиболее эффективных технических средств, которые применяют для изменения спектрального состава излучения (Сечняк и др., 1981).
В последние годы в научных исследованиях в качестве эффективных селективных фильтров электромагнитного излучения начали находить применение фотокорректирующие полимерные пленки (Толстяков, 1998; Рогозин и др., 1998; Кособрюхов и др., 2000; Минич и др., 2000; Головоцкая и др., 2002; Астафурова и др., 2003; Минич и др., 2003). Такие пленки за счет введения в их состав фотолюминофоров на основе соединений европия преобразуют часть длинноволнового УФ излучения в красную область спектра, в том числе с максимумом люминесцентного излучения 617 нм (Щелоков, 1986; Kusnetsov et al., 1989; Карасев, 1995; Райда и др., 2003). Использование фотокорректирующих пленок приводит к эффекту ускорения процессов жизнедеятельности растений и повышению их плодоношения, названному авторами полисветановым эффектом (Щелоков, 1986).
Существует несколько предположений о механизме действия излучения, прошедшего через фотокорректирующую пленку, на рост и развитие растений. В первом утверждается, что полисветановый эффект связан со значительным увеличением доли воздействующего на хлорофилл красного света (Щелоков, 1986). В другом говориться о световом насыщении растений, что достигается увеличением количества полезной энергии за счет преобразования УФ света люминофором в пленке и хлорофиллом (Kusnetsov et al., 1989). Хлорофилл при УФ облучении фосфоресцирует в красной и сине-зеленой областях спектра, а преобразованное люминофором в пленке излучение поглощается фитохромом. В итоге активируется работа всех фоторецепторов, что стимулирует процесс фотосинтеза. В третьем предполагается фоторегуляторная природа полисветанового эффекта (Карасев, 1995), и говорится о наличие специфических фоторецепторов, работающих только в ответ на облучение красным светом с длиной волны приблизительно 600 нм (Кособрюхов и др., 2000). Однако экспериментальные доказательства выдвигаемых предположений фрагментативны. Совершенно не изученной является роль эндогенных фитогормонов в прохождение всей совокупности физиологических процессов на измененное фотокорректирующими пленками излучение.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Выяснение роли низкоэнергетического люминесцентного излучения с основным максимумом 617 нм в морфогенезе, формировании фотосинтетического аппарата и гормонального баланса растений для объяснения действия полисветанового эффекта.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
1. Изучить особенности роста, развития и фотосинтетического аппарата на модельном объекте Arabidopsis дикого типа Ler и его мутантов hy3 и ку4 при выращивании под фотокорректирующей пленкой с максимумом излучения 617 нм на белом свету с дополнительной 16-часовой экспозицией длинноволновым УФ светом.
Изучить особенности роста, развития и фотосинтетического аппарата Arabidopsis дикого типа Ler, мутантов hy3 и Ьу4 при выращивании под фотокорректирующеи пленкой с максимумом излучения 617 нм на белом свету с дополнительной 6-часовой экспозицией длинноволновым УФ светом.
Оценить влияние изменения уровня эндогенных гормонов на процессы роста, развития и плодоношения Arabidopsis дикого типа Ler и мутантов ИуЗ и ку4 при выращивании под фотокорректирующеи пленкой с максимумом люминесцентного излучения 617 нм.
Определить эффективность влияния низкоэнергетического света с длиной волны 617 нм, генерируемого фотокорректирующеи полиэтиленовой пленкой, на рост и развитие капусты сорта «Надежда» и редьки сорта «Ладушка» в условиях закрытого грунта в регионе Томска.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Полученные результаты вносят вклад в развитие представлений о фоторегуляции морфогенеза и гормонального баланса растений низкоэнергетическим люминесцентным излучением.
Показано регуляторное действие излучения, прошедшего через фотокорректирующую полиэтиленовую пленку с основным максимумом люминесценции 617 нм, на морфогенез и формирование гормонального баланса растений. Впервые показано, что изменения ростовых параметров растений под фотокорректирующеи пленкой связаны с изменениями уровня эндогенных гормонов - ИУК, АБК, 3 и ЗР.
Выявлено, что ускоренное развитие и увеличение продуктивности растений Arabidopsis thaliana (L.) Heynh., мутанта hy4, белокочанной капусты «Надежда» и летней редьки «Ладушка» под фотокорректирующеи пленкой связанны с укорачиванием вегетативной фазы растений и быстрым переходом к фазе образования репродуктивных органов.
Впервые в условиях закрытого грунта выявлена зависимость величины полисветанового эффекта от изменений метеорологических условий.
Показано, что изменения ростовых параметров растений под фотокорректирующей пленкой не связанны с уровнем содержания фотосинтетических пигментов в листьях растений.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Показана возможность эффективного применения фотокорректирующей пленки в качестве укрытий сооружений закрытого грунта при культивировании белокочанной капусты сорта «Надежда» и летней редьки сорта «Ладушка» с целью значительного увеличения их продуктивности. Предложена методика быстрого биологического тестирования фотокорректирующих пленок при использовании их в качестве укрытий минимизированных сооружений закрытого грунта, применяя в качестве тестовых культур рассаду белокочанной капусты сорта «Надежда» и летнюю редьку сорта «Ладушка», а также в лабораторных условиях с использованием растений Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. дикого типа Ler и мутантов hy3 и hy4. Это позволяет решать вопросы создания фотокорректирующих пленок, используемых в растениеводстве закрытого грунта, с необходимыми фотофизическими свойствами для управления продукционным процессом растений, что используется ОАО «Полимер» (г. Кемерово) и фермерском хозяйстве М.П. Борзунова. Полученные результаты используются в учебном процессе Томского государственного университета и Томского государственного педагогического университета при чтении курсов «Физиология растений», «Основы сельского хозяйства».
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ была проведена при выращивании в закрытом грунте на агробиологической станции Томского государственного педагогического университета и в фермерском хозяйстве М.П. Борзунова различных культур - томатов, огурцов, капусты, болгарского перца, редиса, тюльпанов, астр, зеленных культур.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы настоящей работы докладывались на 5-ом Корейско-Российском международном симпозиуме науки и технологии «Корус», г. Томск, 2001; на 5 и 8-ой общероссийской межвузовской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и образование», г. Томск, 2001 и 2004; на 5-ой региональной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «III Сибирская школа молодого ученого», г. Томск, 2000; на международной конференции «Проблемы физиологии растений Севера», г. Петрозаводск, 2004; на межрегиональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь Сибири науке России», г. Красноярск, 2004; на VIII международной научной школе-конференции студентов и молодых ученых «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий», г. Абакан, 2004; на международной научно-практической конференции «Проблемы рационального использования растительных ресурсов», г. Владикавказ, 2004.
ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертационной работы опубликовано 15 научных работ.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация изложена на 105 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков, 21 таблицу; состоит из введения, обзора литературы, главы материалов и методик исследования, главы экспериментальных результатов и их обсуждения, выводов, списка литературы, включающего 117 наименований.
В литературном обзоре освещены данные о роли красного света в регуляции морфогенеза и продуктивности растений. Во второй главе описаны объекты исследований и экспериментальные методики. В главе результатов и их обсуждения представлены данные исследований по изучению влияния света, прошедшего через фотокорректирующую пленку с основным максимумом излучения, на фотоморфогенез, формирование фотосинтетического аппарата и гормонального баланса растений.
Работа выполнена на кафедре физиологии и биотехнологии растений Томского государственного университета (ТГУ), лаборатории «Полимерные материалы для фотобиологии» и агробиологической станции Томского государственного педагогического университета (ТГПУ) в ходе выполнения совместной программы «Полимерные композиционные материалы -избирательные фильтры-преобразователи электромагнитного излучения и их применение в биологических исследованиях, сельском хозяйстве и медицине» в рамках проекта между институтом химии нефти СО РАН (г. Томск), ТГУ, ТГПУ, ОАО «Томский нефтехимический комбинат», ОАО «Полимер» (г. Кемерово) и в рамках интеграционного проекта СО РАН и ДВО РАН «Фотохимия и электронная архитектура комплексных соединений р- и f-элементов - молекулярно-энергетических антенн светорегулирующих материалов».
Автор выражает благодарность за сотрудничество и помощь в организации исследований к.б.н., доценту Головацкой Ирине Феоктистовне (ТГУ), к.х.н., доценту Миничу Александру Сергеевичу (ТГПУ), к.х.н., с.н.с. Райде Владимиру Степановичу (ИХН СО РАН), аспирантке ТГУ Ефимовой Марине Васильевне, аспирантке ТГПУ Зеленьчуковой Наталье Сергеевне.
Особая благодарность - научному руководителю Карначук Раисе Александровне без чьей помощи выполнение работы было бы невозможным.
Фоторегуляторные пигменты красного света и механизм передачи светового сигнала
Молекула фитохрома синтезируется непрерывно как фитохром Рг и накапливается в этой форме в растущих в темноте растениях. Свет вызывает фотопревращение Рг в Pfr, который индуцирует биологическую реакцию. Рд. может превращаться в Рг путем фотоконверсии, поглощая ДКС, или в темноте - темновая реверсия (Mohr, 1995; Рейвн и др., 1990, Т.2).
Эффективность функционирования фитохромной системы зависит от содержания в растении и его органах, тканях и клетках активной формы Р& и внутриклеточной компартментализации этой формы, так как Р в связи с биомембранами индуцирует первичные реакции своего действия (Кузнецов, 1986). В свою очередь, содержание Р зависит от темновых условий внешней среды (температуры, водного и газового режимов среды, азотного и минерального питания и т.д.), которые, влияя на темновой метаболизм фитохрома, определяют общее содержание его активной и неактивной форм, т.е. сумму Рг + Pfr. Доля же Pft в суммарном фонде растения, его органов, тканей и клеток зависит от условий освещения.
Исходя из указанного выше, можно предположить два главных пути воздействия на фитохромную систему растений. Первый - это воздействие несветовыми экологическими факторами на общий фитохромный фонд растения и его частей и на содержание Р&. Второй - это воздействие на содержание Pft световыми факторами. Теоретически пока достаточно хорошо разработаны лишь три основных способа светового управления содержанием Р&: кратковременное (около 5 мин) низкоэнергетическое облучение КС или ДКС; длительное непрерывное облучение растений ДКС, синим светом (СС) или КС; фотопериодическое воздействие (Мошков и др, 1968, Пумпянская, 1975).
Теоретически возможен еще один способ воздействия - применение прерывистого или импульсного света. О том, что он может действовать на фитохромную систему, свидетельствуют исследования С.А. Станко (1965) и С.А. Станко, А.Т. Гвоздиковой (1967), которые установили наибольшую эффективность прерывистого облучения в красной области спектра. Однако в целом роль фитохрома в механизмах действия прерывистого света еще не изучена.
Из технических средств кратковременного низкоэнергетического облучения растений КС и ДКС применяют обычные источники искусственного излучения (лампы накаливания, ксеноновые лампы и др.), отфильтровывая КС и ДКС с помощью интерференционных или других стеклянных, а также водных фильтров (растворы окрашенных веществ) (Тихомиров и др., 1983). Самое эффективное техническое средство воздействия на фитохромную систему растений - лазерный свет (Сечняк и др., 1981). Для активации фитохромной системы в растительных объектах широко применяется гелий-неоновый лазер, дающий излучение с длиной волны 632,8 нм (Сечняк и др., 1981). То, что они действуют на фитохромную систему, показано с применением ДКС и других тестов рядом исследователей (Девятков и др., 1977; Сечняк и др., 1981).
Модельным объектом генетики развития растений является Arabidopsis thaliana (L.) Heynh., у которого фитохромы закодированы малой семьей пяти генов от PHYA до PHYE (Sharrock and Quail, 1989; Clack et al., 1994; Hoecker et al., 1998). Продукты генов PHYD и PHYE обладают низкой морфогенетической активностью, конкретные функции этих молекул малоизвестны. Мутанты по PHYC еще не получены, сверхэкспрессия в этиолированных растениях табака приводит к усиленному развитию семядолей в ответ на излучение красного диапазона, что позволяет считать его функциональным фоторецептором.
Фитохром В является у растений основным фоторецептором, способным индуцировать морфогенез в ответ на освещение красного диапазона, так как сверхэкспрессия гена PHYB приводит к резкому усилению всех морфологических ответов на красный свет, а в конечном итоге к карликовости взрослых растений.
Особенностью же фитохрома А является то, что его активация происходит под действием дальнего красного освещения, в то время как красный свет не оказывает заметного эффекта. Облучение этиолированных проростков Arabidopsis исключительно ДКС оказывается вполне достаточным для запуска наиболее чувствительных фотоморфогенетических ответов, таких как частичное замедление роста гипокотиля, распрямление апекса и раскрытие семядолей, Фитохром А считается фотостабильным «темновым» фитохромом, так как продукт гена PHYA, составляющий до 95% всех молекул фитохрома в этиолированных проростках, почти полностью исчезает при освещении. Все другие типы фитохромов являются фотостабильными «световыми», а их экспрессия в проростках остается на относительно постоянном невысоком уровне.
В Arabidopsis из семейства фитохромов наиболее часто встречаются фитохромы А и В (Reed et al., 1994; Quail et ah, 1995). Хотя активность фитохрома А и фитохрома В определяется различными условиями освещения, окончания ответов, управляемых фитохромом А и фитохромом В (рост гипокотиля, развертывание семядолей, цветение и т.д.), в значительной степени те же самые. Очевидно проводящие пути фототрансдукции фитохромов А и В сходятся в некоторой точке. Однако, это является предметом действующих споров. По другому предположению цепочки трансдукции фитохрома А и фитохрома В являются различными, так как маловероятно, что два различных пути имеют туже самую динамику.
Фитохромы имеют три режима ответов: VLTR - ответы на свет очень слабой интенсивности, LER - ответы на свет низкой интенсивности, HIR -высокоинтенсивные ответы (Casal et al., 1998). HIR действует при непрерывном ДКС, активируется фитохром A (Nagatanu et al., 1993; Parks and Quail, 1993; Whtelam et al., 1993). LER действует при пульсирующим или непрерывным КС, активируется фитохром В (Botto et al., 1995; Mazzella et al., 1997). VLTR активируется фитохром А, который не требует непрерывного света и вызывается КС, ДКС или любой волновой полосой между 300 и 800 нм (Botto et al., 1996; Shinomura et al., 1996; Mazzella et al, 1997).
Функционирование каждого рецептора предполагает не только специфическое распознавание некого агента, но и дальнейшую передачу воспринятого сигнала с последующим запуском тех или иных программ биологического ответа. В этом плане принято различать непосредственно фоточувствительную и регуляторную активности фитохрома. По результатам мутационного анализа было выяснено, что существенную роль в определении светочувствительной функции фитохрома играет цистеиновый остаток, служащий для присоединения фитохрома, а также соседних высоко консервативных аминокислот. Конкретный же механизм осуществления регуляторной функции фитохрома обеспечивается за счет реализации его собственной протеинкиназной активности (Mohr, 1995).
Фотокорректирующие полимерные пленки - светофильтры лучистой энергии
Из литературных данных известно, что из технических средств кратковременного низкоэнергетического облучения растений КС и ДКС применяются обычные источники искусственного излучения, при этом отфильтровывается КС и ДКС с помощью интерференционных или водных фильтров (Сечняк и др., 1981). Для кратковременного низкоэнергетического облучения растений КС и ДКС при использовании солнечного или искусственного света могут быть применены в качестве светофильтров фотоселективные полимерные материалы. Для получения таких материалов, чаще всего пленок, в их состав вводят фотомодификаторы, способные избирательно пропускать свет в определенной области длин волн и увеличивать его долю в объеме солнечного излучения. Наиболее селективными из таких материалов являются окрашенные пленки и фотокорректирующие полимерные (чаще всего полиэтиленовые) пленки.
Окрашенные пленки получают введением в их состав красителей, чаще синих, пропускающих синюю область спектра, и красных, пропускающих красную область спектра (Stephen, 1986; Martin, 1987). В настоящее время в ряде зарубежных стран (Франция, Италия, Япония, Испания) лромышленно освоен выпуск различных типов окрашенных пленок. Их применяют в сельском хозяйстве в качестве укрытий теплиц. Под такими пленками создаются оптимальные условия для жизнедеятельности растений за счет избирательной проницаемости пленок в различных областях спектра. Это обеспечивает повышение урожайности различных сельскохозяйственных культур на 8-10%. Так, например, в Италии промышленно освоен выпуск пленок на основе полиэтилена серии «Eldeplast» нескольких модификаций (Maldini, 1982), - «Giallo-50» (желтая) - для выращивания кабачков, томатов. - «Violetto-70» (фиолетовая) - для выращивания земляники, салата, баклажанов, гвоздики. - «Rosso-70» (красная) - для выращивания бахчевых культур. В Японии такие пленки используются очень широко. Уже в начале 70-х годов 20 века такими пленками была укрыта площадь около 14000 Га (Stephen, 1986; Martin, 1987). Однако использование окрашенных пленок в качестве светофильтров солнечного излучения является мало эффективным. Это связано со сложностью достижения стабильной окраски полиэтилена в силу его химической инертности, приводящей к миграции красителя на поверхность пленки, кроме того, они поглощают значительную часть излучения видимой области спектра.
Фотокорректирующие пленки получают введением в их состав люминофоров, способных преобразовывать излучение одной области спектра в излучение другой длины волны. Наибольшее применение в настоящее время нашли фотокорректирующие пленки, преобразующие часть УФ излучения в область ФАР.
Первые разработки фотокорректирующих пленок, содержащих люминофоры, преобразующих УФ излучение относятся к середине 70-х годов прошлого века (Заявка №49-43778 Япония, 1975; Заявка №50-10219 Япония, 1975; Заявка №51-28529 Япония, 1976; Заявка №51-28530 Япония, 1976). В начале 80-х годов во Франции были разработаны пленки, включающие несколько люминофоров, различающиеся областью люминесценции (Fortier, 1984). Смесь люминофоров расширяет область люминесцентного излучения, обеспечивает эффект так называемого «светового каскада» и увеличивает область люминесцентного излучения. В середине 80-х годов в СССР в НПО «Монокристаллреактив» были разработаны и подготовлены к промышленному освоению фотокорректирующие пленки, получившие название «Агролюм» (Результаты испытаний «Агролюм», 1989). В пленках «Агролюм» в качестве фотопреобразующей добавки использованы выпускаемые отечественной промышленностью органические люминофоры, вводимые в состав полиэтилена в виде пигментов на основе меланинтолуолсульфамидоформальдегидной смолы, что обеспечивало их миграционную устойчивость. Использование таких пленок при культивировании огурцов и томатов позволило повысить их урожайность в среднем на 7-16 % по сравнению с обычной полиэтиленовой пленкой. Однако недостатками данных пленок является преобразование ими света в широкую область ФАР.
В 1981 году институте общей неорганической химии АН СССР были разработаны фотокорректирующие пленки, получившие название «Полисветан» (А.с. 1381128 СССР, 1989). Такие пленки преобразуют УФ свет от искусственного или естественного источника в излучение в области ФАР с узким интервалом длин волн. Такая способность достигалась введением в пленку люминофоров на основе комплексных соединений редкоземельных элементов (РЗЭ), Для использования в качестве люминофоров предложен небольшой круг комплексных соединений европия, самария, тербия, диспрозия (Толстиков, 1998).
Особое внимание обращают на себя фотокорректирующие пленки, содержащие в своем составе люминофоры на основе комплексных соединений европия, так как последние ярко люминесцируют в диапазоне 17000-11000 см" в следствие Do - F2,4 — переходов f-электронов иона европия - красная люминесценция (Гайдук и др., 1974; Золин и др., 1980; Li et al., 1994). Механизм действия таких люминофоров заключается в поглощении УФ излучения органической частью комплексного соединения, безизлучательной передаче энергии возбуждения иону европия и генерации им квантов света в красной области спектра.
Особенности фотосинтетического аппарата Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. дикого типа Ler и мутанта hy4 при выращивании на белом свету под фотокорректирующей пленкой с добавлением УФ излучения
Высаживают капусту семенами в защищенный грунт с целью получения рассады. Обычно для этих целей используют обогреваемые или необогреваемые пленочные или стеклянные теплицы (Мухин, 2000). Прижившаяся рассада переносит морозы до минус 4 С, взрослые растения -до минус 6 С и более. Прорастание семян начинается при 2-3 С, оптимальной является температура 16-18 С, когда они прорастают и дают всходы через 3-4 суток после посева. Наиболее благоприятный тепловой режим для рассады обеспечивается при 14-16 С, а для взрослых растений при 18-20 С. Рост сдерживается при повышении температуры до 30 С и вовсе прекращается с дальнейшим усилением жары. Интенсивное образование вегетативной массы и формирование урожая происходит при сочетании температуры 22-25 С, высокой освещенности и оптимальной влажности почвы.
Капуста - светолюбивое растение. Наиболее заметно это проявляется в раннем (рассадном) возрасте. Недостаток света, в частности из-за чрезмерного увеличения густоты стояния, приводит к сильному вытягиванию и ослаблению стебля. Растение влаголюбивое, повышенная потребность во влаге проявляется в течение всей жизни, кроме рассадного периода, наибольшая в фазе образования и роста кочана.
Кочаны в среднем содержат 8,9 % сухого вещества, из них 5,3 % Сахаров (1,9 % глюкозы, 0,9 % фруктозы, 0,4 % сахарозы), 2,4 белков, 0,2 % жиров и витамины С (40 мг), р-каротин (0,09 мг), К (3 мг), В! (0,09 мг), В2 (0,07 мг), РР (0,3 мг), U (S-метилметионин; 7,4 мг в 100 г). В белокочанной капусте содержится много минеральных солей (860 мг в 100 г), в том числе 475 мг калия, 70 мг кальция, 100 мг фосфора, 23 мг магния, 0,56 мг железа и др.
Сорт «Надежда» относится к среднеспелым сортам. Продолжительность вегетации 118-146 суток. Кочан плотный, округлый и округло-плоский. Средняя масса кочана 3-4,5 кг. Розетка листьев полуприподнятая, ее диаметр 80-90 см. Листья зеленой окраски, поперечно-овальной формы, с короткими черешками. Распространение редьки началось из Древнего Египта и Вавилона. Существует несколько форм редьки - двулетняя и однолетняя яровая, а также однолетняя озимая. Растение перекрестноопыляющееся, число хромосом 2п= 18. Двулетняя редька в первый год жизни образует розетку листьев и корнеплод, во второй - высокий цветоносный побег и формирует семена. Листья разнообразные по форме, с различным числом лопастей, опущенные или голые. Корнеплод округлый, овальный, плоскоокруглый, конический и веретеновидный. Наружная окраска черная, зеленая, белая, розовая, фиолетовая. Мякоть белая с зеленоватым оттенком. Цветки белые, розовые, лиловые. Плод - стручок, с гладкой поверхностью, вздутый без семенных перетяжек. Скороспелые сорта являются однолетними. При посеве образуют корнеплод, а затем быстро переходит к образованию цветоносов, цветению и в тот же год дает семена. Растение холодостойкое, наиболее благоприятная температура 10-15 С. В этих условиях всходы появляются из семян через 7-12 суток, при повышении температуры до 20-25 С - через 3-4 суток. Листья и корнеплоды интенсивно растут при 16-18 С. Редька - длиннодневное, светолюбивое и влаголюбивое растение. Летняя редька «Ладушка» относится к раннеспелым сортам. Розетка листьев приподнятая, лист серо-зеленный, среднего размера, среднеопушенный, со среднессеченной листовой пластинкой, черешок светло-зеленый, средний. Корнеплод конический с острым кончиком, красный, длиной 12-15 см. Масса корнеплода может достигать 150 г. Вегетационный период составляет 55-60 дней. Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. - небольшое травянистое однолетнее растение, с прямыми тонкими ветвистыми одиночными стеблями высотой [от 10 до 25 см. Прикорневые листья собраны в розетку, продолговатые или продолговатообратнояйцевидные, тупые, при основании сужены в черешок, который в 2-4 раза короче пластинки. Стеблевые листья более мелкие, продолговатые или ланцетовидные, к основанию суженные, сидячие, цельнокрайние или мелкотупозубчатые. Цветки мелкие с белыми продолговатообратнояйцевидными лепестками, суженными в ноготок. Цветки на тонких ножках собраны в кисть. Плод - раскрывающийся стручок. Семена размером 0,3-0,5 мм в диаметре красновато-буроватого цвета, яйцевидные, однорядные. В природе Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. произрастает на открытом пространстве с бедной почвой в зоне умеренного климата - Европа, Восточная Африка, Азия, Япония. В Северной Америке и Австралии является завезенным (Seed and DNA catalog, 1997). Растение не имеет никакого сельскохозяйственного значения, считается сорняком, однако является модельным объектом в научных исследованиях. В этом качестве Arabidopsis нашел широкое применение, так как имеет ряд полезных особенностей: короткий жизненный цикл, небольшие размеры, большая продуктивность семян, маленький простой геном (число хромосом 2п=10) и доступность мутантов. В работе использовали три линии Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. Линия Landsberg erecta (Ler-0) получена отбором из совокупности семян экотипа Landsberg, обработанных рентгеновским излучением. Отличается от экотипа Landsberg тем, что несет ген erecta в гомозиготном состоянии. Линия является фоновой для большого числа мутационных линий, полученных впоследствии на её основе (Koornneef et al., 1980). По этой причине линию Landsberg erecta в настоящее время принято рассматривать как отдельный экотип Ler (Seed and DNA catalog, 1997).
Мутационная линия hy3 получена на основе Ler. Мутации типа hy получили название в соответствии с быстро удлиняющимся гипокотилем (от hypocotyle). Линия является дефектной только по структуре фитохрома В. Она характеризуется резким ослаблением морфогенетического ответа на красную часть спектра (Seed and DNA catalog, 1997; Лутова и др., 2000).
Мутационная линия hy4 получена на основе Ler, мутаген - быстрые нейтроны. Линия является дефектной по фоторецептору синего света по структуре криптохрома 1 (Ahmad, Cashmore, 1993).
Особенности роста и фотосинтетического аппарата капусты сорта «Надежда» под фотокорректирующей пленкой при оптимальных метеоусловиях
Опытные растения выращивались под фотокорректирующей пленкой, разработанной институтом химии нефти (ИХН) СО РАН (Минин, 2002, патент РФ) и произведенной на Томском нефтехимическом комбинате по ГОСТ 10354. Полив производился вечером после захода Солнца. Проветривание растений осуществлялось поднятием сооружения закрытого грунта с северной стороны на 15 см в период высокого солнцестояния, не допуская попадания на растения прямого солнечного света.
В процессе роста отмечалось время появления всходов, первого настоящего листа, проводились измерения морфометрических параметров в возрасте 15 суток, 24 суток и 30 суток. Определение фотосинтетических пигментов проводилось из высечек листьев 30-суточных растений.
Семена Arabidopsis высевались в невысокие предварительно дренированные ёмкости с грунтом и проращивались под опытной и контрольной полиэтиленовыми пленками. Полив производился капиллярным способом, В качестве светофильтра использовались фотокорректирующая (опыт) и немодифицированная (контроль) полиэтиленовые пленки, помещенные на равном расстоянии от источника света (20 см). Для освещения использовались люминесцентные лампы ЛБ-40 и ЛД-40 и УФ лампа PL-S 9W/08 Black Light (Протасова и др., 1990; Каталог Philips, 2002) (рис. 12). Растения выращивались до получения семян на белом свету (интенсивность 29 Вт/м2) с фотопериодом 16 часов с добавлением УФ света (интенсивность 4 Вт/м ) в двух вариантах: 1)8 часов темнота / 16 часов белый свет + УФ свет; 2) 8 часов темнота / 4 часа белый свет / 6 часов белый свет + УФ свет / 6 часов белый свет.
В процессе роста отмечалось время прорастания, появления семядолей, появления первого листа, формирования цветоноса, начала цветения и появления стручков. Проводились морфометрические измерения в возрасте 8, 17, 27, 41 и 47 суток, а также определение фотосинтетических пигментов и эндогенных фитогормонов.
Для рассады капусты измерялась высота растений, диаметр стебля, определялось число листьев, площадь листовых пластинок, сырая масса и масса сухого остатка. Для редьки измерялась длина листовых пластинок, число листьев, площадь поверхности листьев, сырая масса и масса сухого остатка надземной части растений, масса корнеплодов. Сырая масса, масса сухого остатка для обеих культур определялась только для 30-суточных растений, массу корнеплодов для редьки - для 30- и 60-суточных растений. Для Arabidopsis измерялись длина гипокотиля, длина и ширина семядольного листа, площадь поверхности листьев (семядольных, розеточных, цветоносных), сырая масса и масса сухого вещества, количество бутонов, цветков, стручков, листьев (розеточных, цветоносных), длина цветоносов (главного и боковых). Для рассады капусты все измерения были выполнены на 30 растениях в пяти повторностях, для редьки и Arabidopsis - на 30 растениях в трех повторностях. Статистическая обработка результатов проводилась с помощью программы «Excel» с доверительным интервалом 0,9. В таблицах и на рисунках приведены данные в виде средних арифметических значений с двухсторонним доверительным интервалом.
Площадь поверхности листьев (S) определялась бумажно-весовым методом путем проецирования формы листовых пластинок на миллиметровую бумагу с сохранением масштаба и взвешиванием бумажных образцов на аналитических весах. Площадь вычислялась по формуле: S/Si=m/mi, где Si - известная площадь поверхности бумажного образца (1 см ), S — площадь контура листа исследуемого образца, mj - масса бумажного образца площадью 1 см , mj - масса бумажного контура листа исследуемого образца. Подсчет количества настоящих листьев проводился арифметическим счетом листовых пластинок.
Для определения диаметра стебля использовался микрометр МК 0-25 мм ГОСТ 6507. Измерения проводились у основания 1 листа с точностью до 0,01 мм. Высота растений измерялась от корневой шейки до вершины самого длинного настоящего листа.
Сырая масса для редьки определялась для надземной части путем взвешивания на аналитических весах. Для определения сырой массы рассады капусты она вынимались из почвы в возрасте 30 суток, корневая система промывалась водой, затем взвешивалась на аналитических весах. Определялась масса корневой системы (Мг), масса надземной части -листьев (МО и масса растения (М=М!+М2). Для редьки и Arabidopsis определялась масса сухого вещества надземной части - листьев (Wi), для чего их высушивали до постоянного веса при температуре 103-105 С и взвешивали. Аналогично определялась масса сухого вещества рассады капусты: измерялась масса сухого вещества корневой системы (W2), надземной части (Wi) и растения (W=Wi+W2). На основании этих параметров были вычислены некоторые характеристики, определяющие эффективность растений в образовании листовой поверхности (Бидл, 1989). Для Arabidopsis было установлено отношение площади листьев к биомассе растений LAR (leaf area ratio): LAR=S/W (см /мг). Масса корнеплодов редьки определялась взвешиванием, для чего их выкапывали из земли и промывали водой. Масса капусты определялась взвешиванием кочана без наружной кочерыги.
