Введение к работе
Актуальность работы. Экстремальные экологические условия Западной Сибири предъявляют особые требования к биологии возделывания льна и других культурных растений. Они должны обладать широким диапазоном онтогенетической адаптивности, обеспечивающим устойчивую продуктивность в условиях резких колебаний абиотических факторов окружающей среды.
Лен – ценная сельскохозяйственная культура, из которой получают два вида продукции – волокно и семена. Особый интерес представляет выведение универсальных сортов, несущих в своем генотипе гены, детерминирующие хозяйственно-ценные признаки как долгунцовых, так и крупносемянных форм, отличающихся высокой продуктивностью по волокну и семенам.
Основные посевы льна в условиях Западной Сибири сосредоточены в лесостепной зоне Приобья и таежной зоне Томской области. Зоны характеризуются контрастностью климата. Основным селекционным подходом в этих условиях следует считать выведение сорта со средней, генетически стабилизированной урожайностью, что в долгосрочной перспективе представляет большую экономическую ценность, чем специализированный сорт с потенциально высокой, но сильно варьирующей урожайностью.
Лен относится к стенобионтным видам. Сорт льна может создавать лишь предпосылки, а определяющее влияние в условиях резко-континентального климата Западно-Сибирского региона имеет комплекс агротехнических мероприятий, снижающих или повышающих действие природных экологических факторов (Крепков, 2004). Уникальной особенностью льна является то, что у некоторых сортов после выращивания в течение одного поколения в четко заданных условиях среды (соотношение в почве N:P:K) обнаруживаются наследственные изменения (Cullis, 1981; Durrant, 1962; 1971). Возникающие стабильные линии, названные генотрофами, отличаются одна от другой и от исходного сорта. Это позволяет оценивать лен как чрезвычайно интересную модель в плане исследования эпигенетических механизмов регуляции генома.
Расширение площадей посевов льна тесно связано с селекцией. Особую роль в решении этой проблемы имеет разработка вопросов управления экологической и генотипической изменчивостью растений льна. В этой связи одно из центральных мест принадлежит сорту, как динамичной биологической системе, способной реализовать потенциал генотипа при определенных экологических условиях (Цильке, 1983). Важно при этом дать количественную характеристику реакции генотипов сорта и гибридного материала льна разного назначения на изменение внешней среды в различных экологических пунктах. Это позволит практически оценить и осуществить подбор перспективных генотипов льна для разных районов возделывания.
Полемика вокруг необходимости экологизации сельского хозяйства ведется в России не первое десятилетие. В этой связи приоритетным направлением в изучении льна и других культурных растений в настоящее время является проблема повышения эффективности микробно-растительного взаимодействия, то есть действия биотического фактора (Петров, 2002). В ходе эволюции между растениями и почвенными микроорганизмами, обитающими в прикорневой зоне растений формируются взаимоотношения, взаимовыгодные как для растений, так и для микроорганизмов, обеспечивающие устойчивое существование экосистемы (Вернадский, 1977; Заварзин, 2003; Звягинцев, 1987; Мишустин, 1972; Сорокин, 1993; Тихонович, Проворов, 2005; Clark, Paul, 1970 и др.). Поскольку прикорневая микрофлора оказывает большое влияние на рост и развитие растений продуктами своего метаболизма, растения сами могут изменять микрофлору почвы (Архипова, 1999).
Вопросы почвенной и эпифитной микрофлоры льна в отличие от других растений изучены слабо, и недостаточно рассмотренным является сохранение и поддержание плодородия почв при получении устойчивых, высоких урожаев льнопродукции. Настоящее исследование направлено на выявление роли и связи экологических, генетических и протокооперативных факторов на формирование продуктивности у сортов и гибридов льна в условиях Западно-Сибирского региона.
Цель работы – провести комплексные эколого-генетические исследования и оценить влияние экологических факторов на симбиотрофную продуктивность при возделывании различных сортов и гибридов льна в условиях Западно-Сибирского региона.
Задачи исследований:
1. Получить перспективный для селекции гибридный материал, отличающийся высокой продуктивностью по льну-соломке и семенам и высокими адаптивными характеристиками. Провести сравнительный анализ высокопродуктивных гибридов F1-F12 и родительских сортов, выращенных в разных почвенно-микроклиматических условиях, с целью выявления лабильных и стабильных признаков продуктивности.
2. Осуществить анализ сортов и гибридов льна на уровне ДНК с помощью RAPD-анализа и генетически их паспортизировать. Оценить биологические параметры на основе физиолого-цитогенетических тестов.
3. Определить роль микробного сообщества ризосферы сортов и гибридов льна, выращиваемого в разных экологических условиях, а также эпифитной микрофлоры. Установить функциональную значимость микроорганизмов как биотического фактора для льна. Выяснить взаимовлияния растения микроорганизмы, микроорганизмы растения.
4. Выявить оптимальные предшественники для повышения продуктивности льна, используя показатели биологической активности почв, микробного пула и емкости среды.
5. Выделить метаболиты микроорганизмов ризосферы, оценить их влияние как стимуляторов или ингибиторов продуктивности льна.
6. Провести мониторинг микробных сообществ почв, занятых льном.
7. Оценить долю влияния абиотических, биотических, антропогенных факторов, выявить их роль в формировании признаков продуктивности льна.
Научная новизна. Впервые на разнообразном генетическом материале выявлен вклад экологических факторов в общее фенотипическое варьирование основных признаков продуктивности льна, что позволяет повысить урожайность этой культуры. В результате гибридизации крупносемянного и долгунцового сортов льна и последующего отбора по комплексу признаков получены адаптированные к условиям Западно-Сибирского региона гибридные формы, перспективные в качестве селекционного материала.
На основе физиолого-цитогенетических биотестов установлены адаптивные показатели гибридов F1. Выявлены лабильные и стабильные признаки продуктивности гибридов F2-F12 и родительских сортов. В ходе проведения эколого-генетического анализа показано, что сорта и полученные гибриды по-разному реагируют на почвенно-микроклиматические условия произрастания.
Выявлены адаптивные характеристики: сортоспецифичность ДНК по результатам RAPD-анализа и характер наследования у межсортовых гибридов. Проведена генетическая паспортизация исходных сортов и полученных гибридов после выявления морфологических, морфофизиологических, биохимических и молекулярно-генетических различий.
Оценена роль микробного сообщества ризосферы сортов и гибридов льна, выращиваемого в разных экологических условиях, а также эпифитной микрофлоры льна в формировании признаков продуктивности. Определена функциональная значимость микроорганизмов.
Метаболиты микроорганизмов ризосферы оценены как стимуляторы (ингибиторы) продуктивности льна.
Среди биотических факторов выделены оптимальные предшественники для получения высокой продуктивности льна при использовании показателей биологической активности почв, микробного пула и емкости среды.
Установлено действие абиотических факторов на биодинамику микробных сообществ почв разных экологических пунктов Западной Сибири. Ризосфера льна на каждом исследуемом участке имеет специфичную прикорневую микрофлору. Величина микробного пула бактерий на разных почвах превышает 1 млн в 1 г, такой пул обеспечивает активное протекание энергетических и метаболических процессов в почве. Наиболее устойчивы сообщества популяций микроорганизмов в условиях подзолистой супесчаной и серой лесной почвы, в них пул микроорганизмов в ризосфере льна наиболее стабилен по сравнению с другими почвами. Видовой состав микрофлоры ризосферы, листьев и семян льна специфичен.
Доказано действие антропогенных факторов (бактеризация, биологические препараты) на продуктивность льна. Оценены изменения в микробных сообществах почв при внесении экологически безопасных стимуляторов роста и развития растений и биологических удобрений в разных зонах произрастания. Показано положительное влияние стимуляторов роста и развития гумата натрия, оксидата торфа на показатели продуктивности льна, вегетационный период, устойчивость к заболеваниям. Экологически безопасный биопрепарат БакСиб ускоряет прохождение фаз развития льна, улучшает сохранность растений льна к уборке, повышает сырую биомассу и массу волокна. При этом снижается численность микроскопических грибов и фитотоксичность почвы под сортом и гибридами на фоне осадков сточных вод.
Практическая значимость и реализация результатов. В результате проведенных исследований получены адаптированные к условиям Западно-Сибирского региона перспективные для селекции гибридные формы. Они характеризуются высокой продуктивностью по льну-соломке и семенам, высокими адаптивными характеристикам, устойчивы к болезням и полеганию. Получена перспективная линия гибрида F3 от скрещивания крупносемянного марокканского сорта К-6774 и долгунца томского Т-10, признаки продуктивности которой сохранились на уровне Т-10, показатели семенной продуктивности возросли в 1,5 – 2 раза по сравнению с Т-10 при низкой дисперсии признаков. Этот гибрид может быть рекомендован для размножения и сортоиспытаний с целью районирования в условиях Сибирского региона.
Результаты исследований дают возможность объективно оценить действие экологических факторов на развитие льна в разных климатических зонах. Испытание сортов и гибридов в разных экологических условиях позволило выделить определенные биотопы, наиболее пригодные для возделывания льна.
В области генетики и селекции, полученные RAPD-анализом характеристики дают возможность значительно расширить наши представления об относительной роли генетических и средовых факторов и пополнить банк данных по сортам и гибридам льна, пригодным для возделывания в сибирских условиях.
Результаты исследований по влиянию биологических препаратов на микробный ценоз почвы и популяции L. usitatissimum вошли составной частью в методические рекомендации и используются в земледелии Новосибирской и Томской областей. Показано, что биологические препараты гумат натрия, оксидата торфа, БакСиб, Альбит целесообразно применять под культуру льна. Обработка семян химическим протравителем Бункер и биопрепаратом Альбит с опрыскиванием посевов баковой смесью гербицида Пик и биопрепарата Альбит может рекомендоваться для получения высокой урожайности соломки и волокна.
Материалы диссертации использованы при составлении учебных пособий и применяются в учебном процессе в курсах «Технология возделывания льна», «Селекция и семеноводство полевых культур» при подготовке специалистов-агрономов в Западно-Сибирском регионе.
Защищаемые положения:
1. Гибриды, полученные от скрещивания сортов льна Т-10 и К-6774, адаптированы к условиям Западно-Сибирского региона, отличаются высокой продуктивностью по льну-соломке и семенам, хорошими адаптивными характеристиками и перспективны для селекции. Основные признаки продуктивности (высота, техническая длина, число коробочек) сортов и гибридного материала льна являются лабильными и варьируют в зависимости от места произрастания. Масса волокна, масса семян, процентное содержание волокна в стебле, являются относительно стабильными для сортов.
2. На основании молекулярно-генетических различий моно- и полиморфизма на уровне ДНК с помощью RAPD-анализа можно генетически паспортизировать сорта льна для селекционной работы.
3. Микробные комплексы ризосферы сортов и гибридов льна, выращиваемого в разных экологических условиях, а также эпифитные микроорганизмы льна, характеризуются специфичностью пула и видового состава. Качество семян гибридных форм и сортов в большей степени зависит от физико-химических свойств почвы, чем от условий года. Биологические препараты гумат натрия, оксидат торфа, БакСиб, Альбит целесообразно применять под культуру льна. Оптимальным предшественником льна является озимая рожь.
4. На формирование продуктивности сортов и гибридов льна оказывают влияние связанные экологические, генетические и протокооперативные факторы.
Апробация работы. Полученные материалы и основные положения диссертации представлялись и обсуждались на 9 международных, 7 всероссийских конгрессах и совещаниях, 11 региональных конференциях
Публикации результатов исследований. Основные положения диссертации опубликованы в 69 научных работах, в том числе 18 – в ведущих рецензируемых научных журналах.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 316 страницах машинописного текста, состоит из введения, 9 глав, обсуждения, выводов, списка использованной литературы, включающего 234 наименования, в том числе 50 на иностранных языках. Работа содержит 99 таблиц, 106 рисунков.
Личный вклад автора заключается в формулировании проблемы, постановке целей и задач исследования, выборе методов исследований, выполнении экспериментальной части, обобщении и интерпретации полученных результатов, подготовке научных публикаций. Экспериментальные исследования и теоретические обобщения выполнялись лично автором и совместно с другими исследователями в ФГОУ ВПО Новосибирский государственный аграрный университет в рамках 4 государственных комплексных научно-технических программ и планов НИР и по теме «Биологическая активность пахотных почв Сибири», номер государственной регистрации 01.200.113909, а также в ГОУ ВПО Томский государственный университет. Все работы, выполненные совместно с другими специалистами, опубликованы.
Автор выражает искреннюю благодарность научному консультанту, зав. кафедрой агроэкологии НГАУ, д-ру биол. наук, проф. Н.Н. Наплековой; зав. кафедрой технологии и переработки сельскохозяйственной продукции НГАУ, д-ру с.-х. наук, проф. Н.Н. Шипилину; зав. кафедрой цитологии и генетики ТГУ, д-ру биол. наук, проф. В.Н. Стегнию; зав. лабораторией микробиологии НГАУ К.Н. Котовой за помощь на разных этапах проведения работы и обсуждения результатов.
