Введение к работе
Актуальность темы. Горный Алтай представляет собой рискованный регион для возделывания ряда продовольственных растений в юго-западной части Западной Сибири. Экологические условия на этой территории имеют отчетливо выраженный экстремальный характер и предъявляют довольно жесткие требования к биологическим особенностям возделываемых здесь культур. Для нормального роста и развития интродуцируемые растения должны обладать широким диапазоном онтогенетической адаптивности, обеспечивающим устойчивое формирование продуктивности растений.
Картофель относится к эвритопным видам (Дажо, 1975) и способен успешно произрастать в самых разнообразных местообитаниях с лабильным экологическим фоном. Однако у конкретных сортов картофеля уровень общей и специфической адаптивности может существенно отличаться, что необходимо учитывать при их климатическом макро- и микрорайонировании (Жученко, 1992).
Острая необходимость экологической защиты при интродукции растений выдвинула ряд требований к экологии, в частности к тем разделам исследования, которые объясняют механизм и природу адаптивности и гомеостаза у растений. Центральным моментом в решении этих задач является комплексное изучение изменчивости количественных признаков под воздействием многочисленных экологических факторов в различных по вертикальной зональности районах Горного Алтая. Поэтому региональные разработки занимают особое место среди инновационных технологий.
Экологический подход к исследованию генотипической и паратипической изменчивости количественных признаков и их адаптивности позволит глубже понять сущность и взаимосвязь ключевых элементов продукционного процесса картофеля в условиях предгорья, среднегорья и высокогорья в Горном Алтае. И на этой основе осуществлять подбор перспективных генотипов для возделывания в производственных условиях и для включения в селекционные программы по созданию новых сортов для конкретных зон этого уникального почвенно-климатического региона.
Настоящее исследование имеет теоретико-прикладной, эколого-генетический характер и представляет определенный интерес, как в биологическом, так и в генетико-селекционном плане.
Цель и задачи исследования. Цель настоящего исследования заключается в изучении характера изменчивости элементов продуктивности картофеля, устойчивости его к биотическим и абиотическим факторам внешней среды в условиях вертикальной зональности Горного Алтая.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
-
В полевых условиях провести сравнительное исследование комплекса наиболее ценных признаков коллекции генотипов картофеля отечественной и зарубежной селекции в 7 пунктах экологического испытания в течение 6 лет.
-
С помощью многофакторного дисперсионного анализа дать оценку компонентов изменчивости по основным количественным признакам. Определить вклад экологической изменчивости (вертикальная зональность), генотипической (сорта) и условий вегетации (годы) и взаимодействия этих факторов в общее фенотипическое варьирование признаков.
-
Осуществить подбор и оценку высокопродуктивных генотипов, адаптированных к суровым условиям в разных экологических нишах Горного Алтая.
-
Определить возможности реализации программ создания ценных генотипов картофеля, устойчивых к неблагоприятным биотическим и абиотическим факторам климата в разных по высотной поясности пунктах Горного Алтая.
-
Провести оценку генотипов разных групп спелости по адаптивности к почвенно-климатическим условиям Горного Алтая.
-
Провести исследования в условиях высокогорья по выявлению экологической ниши, свободной от вирусных и других инфекций.
Научная новизна. Впервые на разнообразном генетическом материале в результате многофакторного дисперсионного анализа многолетних данных выявлен относительный вклад экологической и генотипической изменчивости, метеорологических условий, а также взаимодействия этих трёх факторов в общее фенотипическое варьирование основных элементов продуктивности картофельного растения, устойчивости к болезням и химического состава клубней. Показано, что исследованные признаки существенно различаются по относительному вкладу генотипа, внешней среды и взаимодействиям этих факторов в общее фенотипическое варьирование. Впервые выявлен сильный экологический эффект воздействия на экспрессию элементов продуктивности картофеля при испытании в разных по вертикальной зональности условиях Горного Алтая.
Научная и практическая ценность проведённых исследований
Практическая ценность работы характеризуется возможностью использования полученных данных для прогнозирования состояния природных экосистем в зависимости от уровня нагрузки, а полученные результаты и сформулированные положения могут быть успешно использованы в различных областях научной и практической деятельности, связанной с изучением и возделыванием картофеля.
В области экологии полученные результаты дают возможность объективно оценить экологические эффекты воздействия на развитие картофеля в разных климатических условиях. Экологическое испытание набора генотипов в разных по высотной поясности пунктах Горного Алтая позволило выделить свободные от инфекций (безвирусные) зоны, в которых можно сохранять мировой генофонд картофеля и банк здоровых сортов. Эти результаты являются оригинальными и могут быть успешно использованы в практической деятельности экологов, генетиков, селекционеров и семеноводов.
Полученные оценки по дисперсионному и компонентному анализу дают возможность значительно расширить наши представления о роли средовых и генетических факторов в формировании качественных и количественных признаков, что позволяет успешно развивать экологию и генетику онтогенеза. Выявлена относительная роль отдельных факторов внешней среды в экспрессии и изменчивости важнейших признаков картофеля. Из наиболее адаптированных сортов и меристемных линий путем многократного клонового отбора выделены три раннеспелых сорта (Горец, Белуха, Сувенир Горного Алтая) и один среднепоздний сорт (Монастырский), которые успешно прошли предварительное и производственное испытание на устойчивость к раку и золотистой нематоде во ВНИИКХ. В 2007г три ранних сорта переданы на испытание в Госсортсеть.
Многолетняя оценка большого набора отечественных и зарубежных сортов в разнообразных условиях вертикальной зональности позволила выделить отдельные европейские сорта, адаптированные к суровым условиям Горного Алтая.
В области сохранения зародышевой плазмы получены уникальные результаты о реакции отдельных генотипов картофеля на экстремальные условия высокогорья, что позволяет сохранить и размножить генетические системы с ценными признаками для улучшения этой важнейшей продовольственной, кормовой и технической культуры.
Внедрение: материалы и научно-практические результаты диссертационного исследования использовались при выполнении научных работ по грантам Правительства Республики Алтай и Министерства образования и науки Российской Федерации, Федерального Агентства по образованию:
1. «Экспериментальное и теоретическое моделирование процессов аккумуляции миграции и трансформации токсичных компонентов ракетного топлива в различных объектах окружающей среды на примере части территории Горного Алтая и Томской области» (1998-1999), грант «Сибирь-98» (совместно с Республиканской химико-экологической лабораторией).
2.«Разработка принципиально новой технологии возделывания картофеля на основе экологического сортоиспытания и естественного оздоровления в горных районах Республики Алтай» (1999-2002).
3.«Разработка рекомендаций по развитию картофелеводства в Усть-Коксин-ском районе Республики Алтай» (совместно с Научно-производственным центром «Земельные ресурсы Сибири», г. Омск, 2002).
4. «Сохранение и генетический мониторинг генофонда картофеля в Горном Алтае» (2003-2007).
5. «Поддержка высокогорных научных полигонов в Республике Алтай для сохранения мирового генофонда картофеля, генетического мониторинга и создания новых ценных сортов» (2005-2008).
6. «Создание, комплексная проверка и передача в государственное сортоиспытание ранних и среднепоздних сортов картофеля» (2007-2010).
7. «Экологическое сортоиспытание и разработка рекомендаций по организации первичного семеноводства картофеля в Горном Алтае (2007-2010).
Автором разработаны несколько целевых программа для сохранения мирового генофонда картофеля, генетического мониторинга и создания новых ценных сортов с использованием экологических эффектов высокогорья. На основании многолетних мониторинговых исследований созданы и внедрены «Рекомендации картофелеводам Горного Алтая» (2002) и «Функциональный каталог сортов картофеля, испытанных в Горном Алтае» (2008).
Результаты исследований используются в курсах лекций «Экология», «Генетика с основами селекции», «Экологические проблемы региона» и спецкурсах «Экологические проблемы генетики», «Организация и осуществление региональных мониторинговых исследований» в ГАГУ, на их основе модернизировано 2 и разработано 4 новых учебных программы полевых практик по экологии и генетике, которые проводятся на горных полигонах. Студенты и аспиранты осваивают все методики полевых и лабораторных исследований на полигонах, изучают разнообразие мирового генофонда, набирают материал для научных докладов, курсовых, дипломных и диссертационных работ. Материалы и методы диссертационного исследования используются в работе Комитета «Окружающей среды и природных ресурсов».
Основные положения, выносимые на защиту:
1.Изменчивость основных количественных признаков картофеля обусловлена экологическими факторами пунктов испытания и зависит от их расположения по вертикальной зональности Горного Алтая.
2. Относительный вклад экологической, генотипической изменчивости, метеорологических условий и взаимодействия этих трёх факторов в общее варьирование важнейших признаков картофеля изменяется в зависимости от вертикальной зональности пунктов испытания.
3. Испытание большого количества образцов коллекционного материала в различных по высотной поясности средах [6(1994-96)+18(1997-99) сред] позволило выявить экологический эффект воздействия на продуктивность и другие ценные признаки генотипов картофеля различных групп спелости.
4. Отсутствие в условиях высокогорья тлей-переносчиков группы вирусов позволило выявить безвирусные зоны или экологические ниши, свободные от этих и других инфекций и пригодные для сохранения и размножения ценных образцов мирового генофонда картофеля.
5. Комплексная оценка генотипов по общей и специфической адаптивности с помощью специальных компьютерных программ даёт возможность использовать её в характеристике сортов для эколого-селекционных и производственных целей.
6. Объективно обоснована перспективность реализации широкомасштабной селекционно-семеноводческой программы создания новых высокопродуктивных сортов картофеля и их внедрения в разные по высотной поясности районы Горного Алтая и сопредельных территорий.
Апробация работы. Результаты экспериментальных исследований доложены на Международных симпозиумах, научных и научно-практических конференциях: «Проблемы формирования и развития эколого-экономической зоны «Горный Алтай», Горно-Алтайск, 1992; “Природные условия и биологические ресурсы Западной Монголии и сопредельных регионов”, Улан-Батор, Монгольская Республика, 1993 и 1995; «Алтай. Космос, микрокосм», Барнаул - Горно-Алтайск, 1995; «Модели устойчивого социально-экологического развития Республики Алтай и стран Алтай-Саянского региона», Горно-Алтайск, 1996;
«240 лет добровольного вхождения алтайского народа в состав Российского государства и современность», Горно-Алтайск, 1996г.; «Модели устойчивого социально-экономического развития Республики Алтай и стран Алтай-Саянского региона», Горно-Алтайск, 1997; «Природные условия, история и культура Западной Монголии и сопредельных регионов». Томск, 1995, 1997; «Фундаментальные проблемы окружающей среды и экологии природно–территориальных комплексов Западной Сибири», Горно-Алтайск, 2000; «Картофель в Сибири», Томск, 2001; «Проблемы народного хозяйства Республики Алтай на рубеже 3-го тысячелетия», Горно-Алтайск, 2002; «Научное обеспечение АПК Сибири, Монголии, Казахстана, Беларуси и Башкортостана», Абакан, 2002; «Биоразнообразие, проблемы экологии Горного Алтая и сопредельных территорий: настоящее, прошлое, будущее». - Горно-Алтайск, 2005-2007; «Научное обеспечение картофелеводства Сибири и Дальнего Востока: состояние, проблемы и перспективные направления». Кемерово, 2006; “Плодородие почв Сибири”. Барнаул, 2005;
XXXV – ХХХVII, ХХХХIV – ХХХХV и ХLIV Международ. науч. студ. конф. «Студент и научно-технический прогресс». Новосибирск, 1997-2008гг.;
VII –Х генетико-селекц. школах- семинарах в Новосибирске в 2001-2007гг.;
VI, VII и Х Международных школах-конференциях студентов и молодых ученых «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий» (Красноярск, 2002 и 2003); Абакан, 2006;
смотрах-конкурсах международных выставок – «Алтайская нива. Агротех-1998, 2000» в Барнауле награждены дипломами; Х юбилейной международной агропромышленной выставке «Алтай-агротех – 2004» в номинации «Техника, оборудование и технологии для сельского хозяйства» награждены дипломом за научные достижения в разработке технологии производства безвирусного картофеля. Барнаул, 2004 г.;
специализированной выставке «Картофель-2003» (Москва, ВВЦ) за научные разработки награждены дипломами МСХ РФ и Правительства Москвы и медалями лауреатов ВВЦ; межрегиональной выставке «Картофель. Овощи и фрукты-2005», награждены серебряной медалью ВВЦ и дипломами МСХ РФ и Правительства Москвы; конкурсе «Аграрная элита России» Фонда Премии имени П.Столыпина награждены медалью имени Петра Столыпина в номинации за лучшую научную разработку (Москва, 2005); Межрегиональной выставке «Картофель.Овощи и фрукты-2006» награждены золотой медалью ВВЦ и дипломами МСХ РФ и Правительства Москвы.
Первом международном конгрессе и отраслевой выставке «Картофель, Россия-2007» награждены золотой медалью ВВЦ и дипломами МСХ РФ и Правительства Москвы за создание высокопродуктивного, устойчивого к основным заболеваниям раннего сорта картофеля ГОРЕЦ (Москва, 2007).
Публикация работ. Основные результаты и положения опубликованы в 2-х монографиях, 95 статьях, в том числе 12 – в реферируемых изданиях: «Вестник Томского ГУ», «Сибирский вестник сельскохозяйственной науки», «Картофель и овощи» и др.
Достоверность результатов подтверждается выполнением всех количественных и качественных анализов в научно-исследовательской лаборатории экологической генетики и селекции Горно-Алтайского государственного университета (ЛИЦЕНЗИЯ № 169695, Серия А, Регистрационный № 5586 от 15.11.2005) современными методами с применением ГОСТов и методик, утвержденных для целей государственного экологического контроля и мониторинга с надежным обеспечением всех биометрических измерений и классических методов математических доказательств.
Личный вклад автора. Вся программа исследований разработана лично автором. Все экспериментальные результаты при испытании коллекции в полевых условиях в 7 разных по высотной поясности пунктах и соответственно в 7 административных районах Горного Алтая получены автором лично и совместно со студентами и аспирантами, работавшими под руководством диссертанта. Соискателю принадлежит разработка программ исследований в системе регионального экологического и генетического мониторинга применительно к горным территориям, разработка и проведение модельных экспериментов и др. Для природных экосистем Горного Алтая соискателем установлены в условиях высокогорья экологические ниши, свободные от вирусных и других инфекций и создано четыре сорта картофеля.
Автор выражает благодарность и признательность научному консультанту доктору биологических наук, заслуженному деятелю науки Российской Федерации, профессору Р. А. Цильке за систематические консультации в области применения методов планирования многофакторных экспериментов и помощь в разработке компьютерных программ обработки экспериментальных данных, за ценные советы и критические замечания при обсуждении результатов. Автор очень признателен коллегам Табакаеву Ю.В., Бабину В.Г., Кудирмекову В.И., Алейниковой В.Н., Муравьевой В.М., Секачевой Е.Ю., сотрудникам кафедры зоологии, экологии и генетики за оказанную помощь, аспирантам и студентам, принимавшим активное участие в выполнении объемных экспериментальных работ на труднодоступных горных полигонах.
Автор глубоко признателен за содействие, разностороннюю поддержку в период проведения многолетних экспериментов замдиректора по научной работе ВНИИССОК, д. с-х. н. Добруцкой Е.Г., сотрудникам лаборатории картофеля СИБНИИРСа СО РАСХН к.с-х.н. Полухину Н.И., Сафоновой А.Д., Мызгиой Г.А., зав. лабораторией биохимии к.х.н. Салминой И.С., зав. биотехнологической лабораторией ИЦиГа СО РАН к.б.н. Леоновой Н.С., директору Горно-Алтайского ОПХ к.с-х.н. Зерюкову В.М., дирекции ОПХ «Лекарственные травы» Черкову Н.В. и Черковой В.А., главному агроному крестьянского хозяйства «Усть-Иша» Урюпину В.И., картофелеводу Шарыпову Б.А.(с. Ильинка, Шебалинского р-на), министрам сельского хозяйства Республики Алтай Карамаеву В.Б., Кулагину А.А., Огневу С.И. и бывшему начальнику департамента растениеводства МСХ РА Ивановой Н.И., предпринимателям Мендину Н.Е. и Кудермекову В.Д., бывшему главному специалисту АПК Трофимовой П.М., директору Яконурской школы Усть-Канского района Емекчиновой Г.Е. и учителю биологии Аларушкиной Л.Б., бывшему Главе РА, к.с-х.н. Лапшину М.И.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения, общих выводов, списка цитируемой литературы и приложений. Работа изложена на 322 страницах машинописного текста, включая 33 таблицы, 85 рисунков и 30 фотоиллюстраций (в приложениях).
