Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Культура огурца и требования к условиям выращивания 8
1.2. Изменения в процессах обмена у растений огурца в зависимости от температурных и световых условий среды 12
1.3. Системы терморезистентности растений 20
1.4. Усвоение нитрата; характеристика нитрат-редуктазы 27
1.5. Регуляция процесса утилизации в растениях 39
1.6. Использование активности нитратредуктазы в качестве показателя "азотного статуса"
растений 45
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТ, УСЛОВИЙ И МЕТОДЫ ПРШЗДЕЮЙ ЭКСПЕРИМЕНТА
2.1. Объект, условия и схема эксперимента 52
2.2. Определение фракций азота 53
2.3. Определение активности азотассимилирующих ферментов 56
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
3.1. Рост и накопление азота растениями огурца в зависимости от температуры культивирования 61
3.2. Изменения в содержании азотистых фракций и аминокислот при пониженной температуре 72
3.3. Влияние температуры на активность нитратредуктазы, глутаматдегидрогеназы, глутамин-синтетазы в корнях и надземных органах 81
3.4. Использование изменений активности нитрат-редуктазы в семядолях для оценки холодоу остойчивости сортов огурца 96
3.5. Транспорт нитрата и аминокислот из корней в надземную часть растений оіурца 108
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 117
ВЫВОДЫ 122
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 124
ПРИЛОЖЕНИЕ *55
- Культура огурца и требования к условиям выращивания
- Объект, условия и схема эксперимента
- Рост и накопление азота растениями огурца в зависимости от температуры культивирования
Введение к работе
Основные направления развития народного хозяйства страны, принятые ХХУІ съездом КПСС, предусматривают интенсификацию сельскохозяйственного производства при минимальном расширении производственных площадей и экономии энергетических ресурсов. С этих позиций главной задачей науки в области растениеводства является оптимизация процесса формирования продуктивности растений, достижение достаточно высоких и экономически целесообразных по величине урожаев.
Поиск физиологических и биохимических критериев для оценки селекционного материала по таким важным признакам как потенциальная продуктивность растений, устойчивость к неблагоприятным факторам, биологические требования сортов к параметрам внешней среды - актуальное направление современной биологии (Кумаков и др., 1983; Шевелуха, 1983; Мошков, Иоффе, 1983).
Пониженная температура относится к факторам, ограничивающим урожайность теплолюбивых растений (Коровин, 1972; Шевелуха, 1977; Дроздов и др., 1977; Graham, et el,, 1979; Levitt 1980, Коровин, 1984). Отбор холодоустойчивых форм имеет большое значение в селекции овощных культур, поскольку способствует их продвижению в более северные районы. В настоящее время стал актуальным вопрос о холодоустойчивости овощных растений, культивируемых в условиях защищенного грунта, в связи с экономией энергии для отопления теплиц ( Challa , 1976; Nijs , 1981; Yamakawa , 1981).
Современные методы селекции позволяют концентрировать в одном генотипе многие положительные качества. Но не всегда ясно, за счет какого сочетания признаков можно достигнуть наибольшей продуктивности сортов в конкретных условиях (Кумаков, 1978).
Способность эффективно использовать азот среды - одна из составляющих высокой продуктивности растений, поэтому учет поступления, распределения и перераспределения азота в растениях используется, главным образом, у злаков как один из физиологических параметров продуктивности ( DarwinJsel, 1975; Hageman, 1979; Dale , 1979; Климашевский, Чернышева, 1980; Павлов и др., 1981). На овощных растениях интенсивно ведутся лишь разработки, связанные с изучением аккумуляции в продуктивных частях растений нитрата в связи с его токсичностью для человека и животных ( Cantliffe , 1972а, б; 1974; Обу-ховская, 1981; Примак и др., 1981). Генотипические особенности усвоения азота у овощных растений в зависимости от температуры среды практически не исследованы.
Цель настоящейработы - выявить на основе показателей азотного обмена сортовую специфику в способности растений огурца на ранних этапах вегетации преодолевать неблагоприятное воздействие пониженной температуры. Были поставлены следующие задачи:
1. Исследовать взаимосвязь между ростом и поступлением из среды азота у растений огурца (сорт Марфинский и гибрид Манул для защищенного грунта и сорт Муромский 36 для открытого грунта), растущих при оптимальной или закаливающей температуре .
2. Определить активность нитратредуктазы, глутаминсин тетазы, глутаматдегидрогеназы в семядолях, корнях и листьях проростков, чтобы оценить степень изменений, вызванных температурным воздействием, в ферментных системах, обеспечивающих ассимиляцию азота.
3. Выявить чувствительные к температурному фактору этапы процесса преобразования азота среды в растении огурца.
4. Попытаться на основании исследования азотного обмена вычленить показатели, коррелирующие с холодоустойчивостью сортов огурца.
Полученные данные об изменениях в азотном обмене растений огурца в условиях субоптимальной температуры расширяют представления о физиолого-биохимических перестройках метаболизма, связанных с температурной адаптацией у теплолюбивых растений. Впервые на основании исследования процесса усвоения азота на ранних этапах онтогенеза огурца установлено, что тепличные формы различаются по холодочувствительности. Поступление
азота, как выявлено, является одной из причин задержки роста у холодочувствительного сорта Марфинский, но не лимитирует накопление биомассы у холодоустойчивого сорта Муромский 36 и гибрида Манул. Показано, что транслокация азотистых веществ из корней в надземные органы относится к процессам, ответственным за изменения в азотном обмене при температурном воздействии.
Установлено, что с помощью определения активности нитратре-дуктазы можно оценить холодоустойчивость сортов огурца. Дяяч характеристики устойчивости к пониженной температуре предложено использовать отношение активности нитратредуктазы в семядолях растений, росших при охлаждении и в оптимальных условиях.
Разработан метод оценки холодоустойчивости растений огурца по активности нитратредуктазы, который можно использовать для эколого-физиологической характеристики селекционных образцов, а также известных сортов и гибридов. Материалы исследования включены в "Методические указания по селекции огурца", изданные Министерством плодоовощного хозяйства СССР (1983 г.). Физиологическое обоснование оценки холодоустойчивости растений огурца, выращиваемых в защищенном грунте, включено в материалы экспозиции "Наука в реализации продовольственной программы" на ВДНХ СССР (1983-1984 гг.). Практическая значимость предложенного "Способа определения холодоустойчивости растений огурца" подтверждена решением Госкомизобре-тений СССР о выдаче авторского свидетельства от 30 мая 1984 г.
Культура огурца и требования к условиям выращивания
Родина огурца - район влажных субтропиков Северной Индии, где найдена дикие сородичи культурной формы. Поэтому огурец является теплолюбивой и влаголюбивой культурой (Филов, 1967). При выращивании в открытом грунте метеорологические условия года определяют сроки появления всходов, длину периода вегетации и продолжительность отдельных фаз, жизнеспособность пыльны, соотношение полов и цветков и, в конечном итоге, урожай. В работах Г.Т.Селянинова (1930) и А.И.І уденко (1950) огурец отнесен к группе теплолюбивых растений южных широт, которые не переносят заморозков и страдают уже при температуре +3-+50, наряду с растениями табака, хлопчатника, риса, томата.
Минимальная температура для роста и развития растений огурца 12-15, но при такой температуре семена прорастают медленно, большой процент их гибнет, не давая всходов (Абрамов,1974). Оптимальная температура для роста находится в пределах 25-30. Верхний температурный предел, неблагоприятный для жизнедеятельности,35-40. Особенно неблагоприятны для растений огурца резкие колебания температуры воздуха. Повреждение и гибель растений огурца происходит при действии слабых заморозков, а также при достаточно длительном воздействии пониженных положительных температур. Литературные сведения о низких критических температурах для огурца разноречивы, так как чувствительность растений к заморозкам зависит от продолжительности заморозка, характера сопровождающей погоды, степени закалки растения в предшествующий период развития, сорта, наличия питательных веществ в почве (Коровин, Абрамов, 1978). Большинство авторов считают, что огурцы гибнут при нулевой или близкой к ней отрицательной температуре, а также при продолжительном действии низкой положительной температуры 3-6 (Селянинов, 1945;.Велик, I960; Золотарев, 1963). Другие исследователи наблюдали гибель растений огурца даже при длительном падении температуры ниже 10 (Жол-кевич, 1955). Отмечается, что уровень температуры для нормального роста и развития меняется с возрастом: оптимальной в период всходы - начало цветения является температура 24-28, ночью
12-15, при пасмурной погоде в дневное время 18-22; с наступлением плодоношения наилучшей считают температуру 25-30 (Эдель-штейн, 1953). Необходимо также учитывать различную реакцию растений на температуру в разных климатических зонах (Коровин, 1981). При исследовании роста и развития растений различных сортов огурца в условиях Московской области (Велик, 1970) установлено, что несмотря на резко различные условия прорастания семян, роста и развития растений при различных сроках посева весной, цветение и плодоношение огурца наступает лишь при получении определенной .суммы физиологически активных среднесуточных температур, различной у разных сортов (Велик, 1970; Абрамов, 1974).
Возможности выращивания в защищенном грунте. В условиях защищенного грунта существует возможность уцравления условиями внешней среды, с наибольшей точностью может регулироваться температурный режим почвы и воздуха. Строительство теплиц в различных районах страны расширяется. При этом повышаются требования к оптимизации условий выращивания с учетом биологических особенностей культуры и сорта (Коровин, 1972а, 1977). В условиях теплиц возможен контроль над ростом и развитием растения и получение запрограммированных урожаев овощных культур.
Объект, условия и схема эксперимента
Объектом исследования были растения огурца сортов Марфинский, Муромский 36 и гибрида Манул. Сорт Тройский 36 обладает относительно других сортов повышенной устойчивостью к низким температурам, он районирован в северных, северо-западных и нечерноземных областях РСФСР, Камчатской, Кемеровской области, Красногорском крае. Сорт Марфинский выращивается в теплицах, требователен к теплу. Гибрид Манул, отцовской формой которого является сорт Марфинский, а материнской формой сорт Налу фусинари, интенсивно выращивается в тепличных комбинатах страны, дает хорошие урожаи в Московской области в зимние и весенние месяцы. В некоторых экспериментах были использованы сорта Алтайский ранний 166, Ташкентский 86, Изящный, Нежинский 12, гибриды Московский тепличный, Весна.
После проращивания семян в течение 2-х дней в термостате при 25-27 проростки переносили в факторостатную камеру по 3 растения в I л-сосуды на воду, которую через сутки заменяли на раствор питательной смеси Прянишникова с половинной от нормы концентраций солей (Баславская, Трубецкова, 1964). Микроэлементы добавлялись как в среде I Хогланда-Арнона (Гродзинский A.M., Гродзинский Д.М., 1973), рН растворов поддерживался 6,9. Источник железа (FeCl ) в питательной смеси был заменен на комплексон железа с ЭДТА (Jakobsoa, 1951). Питательную смесь аэрировали через каждые три часа по 30 минут, что необходимо было как для обеспечения корневой системы кислородом, так и для перемешивания растворов, содержащих труднорастворимые соли кальция.
Рост и накопление азота растениями огурца в зависимости от температуры культивирования
Создание моделей роста и развития растений необходимо для определения оптимальных уровней факторов среды, обеспечивающих реализацию потенциально возможной продуктивности (см»раздел 1.3). Применение методов математического моделирования позволяет описывать рост растений в различных условиях внешней среды.
По определению Д.А.Сабинина рост растений рассматривается как процесс новообразования элементов структуры на клеточном, тканевом, органном уровне (Сабинин, 1971). Масса растений, как показатель, не может характеризовать всю многокомпонент-ность и сложность биологического понятия "рост", но может использоваться для математического моделирования биологического явления, так как отражает его существенные черты (Росс, 1967). В фазу экспоненциального роста взаимосвязь между натуральным логарифмом массы и возрастом растения линейна и может быть описана уравнением регрессии:
