Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Методы оценки функционального состояния растений и пути повышения их неспецифической устойчивости (обзор литературы) 8
1.1 Окислительный стресс растений. Механизмы повреждения и защиты растений 8
1.2 Ферментативная активность и содержание свободных аминокислот в растении как показатели функционального состояния растений и их устойчивости к неблагоприятному воздействию 18
1.3 Использование индукции флуоресценции хлорофилла-а в ассимиляционных тканях для оценки стрессорности состояния растений 27
1.4 Регуляторы роста и индукторы устойчивости растений 30
1.5 Роль макро и микроэлементов в обменных процессах у растений 37
Глава 2 Цель, задачи, условия, и методика проведения исследований 50
2.1 Цель и задачи исследований 50
2.2 Природно-климатические условия 51
2.3 Методика проведения исследований 53
Результаты исследований
Глава 3 Общая характеристика изменений водно-термического режима и основные повреждающие факторы растений 55
Глава 4 Диагностические показатели функционального состояния растений 75
4.1 Моделирование стрессорного воздействия на различных культурах 75
4.1.1 Определение изменения активности ферментов каталазы и пероксидазы и фотосинтетической активности при стрессовом воздействии 77
4.2 Моделирование стрессорного и антистрессорного воздействия на различных культурах 88
4.2.1. Эффективность антистрессорного воздействия различных соединений при моделировании стресса у различных по устойчивости культур и сортов 89
4.2.2. Дисперсия показателя переменной флуоресценции хлорофилла-а в ассимиляционных тканях в пределах одного растения, как дополнительный маркер направленности изменения функционального состояния растительного организма 95
4.3 Разработка ориентировочных оптимумов активности ферментов каталазы и пероксидазы и интенсивности работы фотосистемы 2 хлорофиллсодержащих тканей растений яблони и вишни 98
4.4 Различия аминокислотного состава у растений устойчивого и неустойчивого типа 108
4.5 Гистологическая оценка степени и типов повреждений тканей растений 116
4.6 Интенсивность работы фотосистемы-2 в листьях растений яблони при различной степени вирусологической нагрузки 123
Глава 5 Оценка функционального состояния растений в 1990-2004 годах {типы повреждений и дестабилизирующие факторы их вызывающие) 128
1990 год 128
1991-1999 годы 133
2000 год 143
2001-2005 годы 182
2006 год 230
Обобщающая характеристика погодных стрессоров и реакции растений 237
Глава 6 Определение изменения функционального состояния растений при применении иммунокорректирующего воздействия 246
6.1. Эффективность корректирующего воздействия в зависимости от степени устойчивости сорта и фазы вегетации 249
6.1.1 Эффективность повышения устойчивости растений земляники, смородины, вишни и яблони с помощью обработок препаратами эмистим, экост 1ГФ и иммуноцитофит в зависимости от степени нативной устойчивости сорта 249
6.1.2 Эффективность обработок препаратами эмистим, экост 1ГФ растений яблони и земляники в зависимости от фазы вегетации 253
6.2. Механизм и скорость распространения защитного эффекта и пролонгированностъ действия иммунокорректоров 258
6.3. Эффективность защитных соединений в зависимости от типа стрессора. Протективная роль серы 263
6.3.1 Сера как экологопротектор 263
6.3.2 Эффективность различных фитоиммунопротекторов в зависимости от типа стрессора 267
Глава 7 Оценка эффективности некоторых элементов технологии возделывания садов и ягодников с помощью диагностических показателей 273
7.1. Оценка эффективности обработок растений яблони индукторами устойчивости, макро- и микроэлементами на фоне современной системы защиты от вредных организмов 273
7.2. Оценка эффективности системы защиты растений яблони методом диагностики их функционального состояния 284
7.3. Применение системы диагностических показателей для оценки эффективности препаратов 291
7.4. Оценка эффективности различных способов минерального питания растений методом диагностики их функционального состояния 294
Глава 8 Экономическая эффективность применения системы диагностических показателей для повышения результативности элементов технологии возделывания плодов и ягод 302
Выводы 304
Рекомендации производству 306
Библиографический список 307
Приложение
- Ферментативная активность и содержание свободных аминокислот в растении как показатели функционального состояния растений и их устойчивости к неблагоприятному воздействию
- Разработка ориентировочных оптимумов активности ферментов каталазы и пероксидазы и интенсивности работы фотосистемы 2 хлорофиллсодержащих тканей растений яблони и вишни
- 2001-2005 годы
- Оценка эффективности различных способов минерального питания растений методом диагностики их функционального состояния
Введение к работе
Актуальность проблемы. Дестабилизация погодных условий, загрязнение атмосферы, общее ухудшение экологической обстановки привели к тому, что растения все в большей мере подвергаются прессингу широкого спектра стрессоров Негативное влияние часто превышает порог их возможной адаптации Неудивительно поэтому, что их защитная система, в настоящий момент сама нуждается в защите Особенно страдают многолетние растения, способные накапливать отрицательную информацию В результате -повышается восприимчивость к биотическим стрессорам, снижается урожайность и качество плодов Весьма показательными были в этом отношении 1990 и 1994гг В эти годы на значительной территории центральной России имело место катастрофическое состояние плодовых насаждений и практически полная потеря урожая Исходя из вышеуказанного ясно, что на первый план выходит проблема помощи растению в преодолении негативных последствий абиотического и биотического стресса и повышения общей устойчивости садового агроценоза
Известно, что эффективным методом повышения сопротивляемости растений повреждающему воздействию является индукция работы его собственной защитной системы В то же время, всякое вмешательство в жизнедеятельность растения, может иметь как положительный, так и отрицательный эффект Поэтому, прежде чем каким-либо способом помогать растению, необходимо не только знать его исходный адаптивный потенциал, но и иметь точное представление о функциональном состоянии растительного организма в момент воздействия Только в этом случае экзогенное вмешательство достигнет желаемого результата В связи с этим, разработка системы диагностических показателей, позволяющих быстро и корректно оценить состояние растительного организма является очень актуальной
Цель исследований: разработка системы экспресс-диагностики функционального состояния растений и оценка эффективности элементов технологии производства плодов и ягод
В этой связи планировалось решение следующих задач:
определить основные стресс-факторы годичного цикла развития плодовых и ягодных растений,
установить параметры изменения показателей функционального состояния растительного организма при воздействии стрессоров,
определить параметры динамических показателей ферментативной и фотосинтетической активности хлорофиллсодержащих тканей и стрессорные границы их отклонения в годичном цикле развития растений,
определить изменение функционального состояния растений при применении иммунокорректирующего воздействия;
оценить эффективность отдельных элементов технологии (минерального питания и систем защиты) методом диагностики функционального состояния растений
Научная новизна Впервые для Центрально-Черноземного региона определены основные абиотические стрессоры в годичном цикле развития растений (нарушение водно-термического режима, резкие перепады температур воздуха, высокая солнечная активность и их комплекс), разработаны «коэффициенты стрессорности» погодных условий года, позволяющие оценить степень их энергозатратности для растительного организма с целью прогноза степени риска повреждения растений на следующий год
Разработана система диагностических показателей (фотосинтетическая активность хлорофиллсодержащих тканей, активность ферментов каталазы и пероксидазы, цитологическая и гистологическая оценка зимних повреждений), отражающая функциональное состояние плодовых и ягодных растений и позволяющая прогнозировать направленность его изменения
Выявлены корреляционные зависимости между диагностическими показателями, позволяющие использовать определение фотосинтетической активности хлорофиллсодержащих тканей в сочетании с дисперсией данного показателя в пределах одного растения в качестве экспресс-диагностики функционального состояния растений, а также для оценки эффективности протекторов стрессустойчивости растений и отдельных элементов технологии
Установлено, что динамические характеристики ферментативной и фотосинтетической активности в течение двух вегетационных сезонов в сочетании с показателем скорости восстановительного процесса после стрессового воздействия характеризуют собственно-устойчивость растительного организма к абиотическим и биотическим стрессорам
Практическая значимость и реализация результатов исследований.
Разработаны «коэффициенты стрессорности» погодных условий для каждого периода в годичном цикле развития растений, позволяющие прогнозировать степень риска повреждения плодовых и ягодных культур
Расширен комплекс мер, повышающих устойчивость растений яблони к различным повреждающим факторам, за счет применения фитоиммунокор-ректоров
Установлена неоднозначность реакции растений на применение имму-нокорректоров в зависимости от степени нативной устойчивости сорта и вида защитных препаратов, что необходимо учитывать при проведении комплекса защитных мероприятий против вредных организмов
Разработана система диагностических показателей, позволяющая корректно оценить функциональное состояние растений и прогнозировать направленность его изменения
Предложено использовать показатель фотосинтетической активности хлорофиллсодержащих тканей в сочетании с дисперсией данного показателя в пределах одного растения для экспресс-диагностики функционального состояния растений, оценки эффективности протекторов стрессустойчивости растений и отдельных элементов технологии
Система диагностических показателей апробирована и внедрена в хозяйствах Тамбовской области (ОПХ ВНИИС им И В Мичурина, ОАО «Дубовое», СХПК «И В Мичурина»), а также используется при разработке и проведении системы защитных мероприятий в хозяйствах Тамбовской и Липецкой областей
Апробация работы Основные материалы исследований доложены на международной научно-практической конференции «Садоводство и виноградарство 21 века» (Краснодар, 1999), межрегиональной научно-практической конференции «Научные основы устойчивого садоводства в России» (Мичуринск, 1999), международной научно-методической конференция «Новые сорта и технологии возделывания плодовых и ягодных культур для садов интенсивного типа» (Орел, 2000); международной научно-практической конференции молодых ученых, посвященной 145-летию со дня рождения ИВ. Мичурина и 90-летию профессора В И Будаговского (Мичуринск, 2000), XX Мичуринских чтениях «Проблемы и перспективы отдаленной гибридизации плодовых и ягодных культур» (Мичуринск, 2000), IV международном симпозиуме «Новые нетрадиционные растения и перспективы их использования» (Москва-Пущино 2001); международной научно-практической конференции «Биологизация защиты растений состояние и перспективы» (Краснодар, 2001), International Symposium «Plant under environmental stress» (Москва, 2001), XXI Мичуринских чтениях «Проблемы формирования генетических коллекций плодовых, ягодных культур и перспективы их селекционного использования» (Мичуринск, 2002); первой Всероссийской конференции по иммунитету растений к болезням и вредителям (Санкт-Петербург, 2002), международной научно-практической конференции (Киев, 2003), Всероссийской научно-практической конференции «Повышение эффективности садоводства в современных условиях» (Мичуринск, 2003), международном симпозиуме «Реализация адаптивного потенциала садовых растений в изменяющейся среде». (Москва-Пущино, 2004), научно-практической конференции «Развитие наследия И В. Мичурина и подготовка кадров» (Мичуринск 2005), выездных сессиях РАСХН (Саратов 2000, Мичуринск, 2005)
Кроме того, материалы исследований ежегодно, начиная с 1994 г, докладывались на семинарах и совещаниях руководителей и специалистов садоводческих хозяйств областей ЦЧР
Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 342 стр машинописного текста, состоит из введения, 8 глав, выводов и рекомендаций производству Содержит 11 таблиц и 145 рисунков Библиографический список включает 413 источников, в том числе 106 - иностранных Приложения на 30 страницах
Ферментативная активность и содержание свободных аминокислот в растении как показатели функционального состояния растений и их устойчивости к неблагоприятному воздействию
Любой стресс связан с перестройкой в метаболизме растения. Первыми подвергаются действию стрессовых факторов мембраны клеток так как они являются барьером разделяющим содержимое клеток и внешнюю среду (Fisher, 1985). Мембраны способны быстро реагировать на отклонения в условиях существования, однако изменения, возникающие в мембранах, влекут за собой изменения в обмене веществ всей клетки. Повышается проницаемость мембран, происходит деполяризация мембранного потенциала плазма-леммы, рН (кислотность) цитоплазмы сдвигается в кислую сторону. Возрастает активность Н+ - помпы в плазмалемме и тонопласте, усиливается сборка актиновых микрофиламентов и сетей цитоскелета, следствием чего является повышение вязкости цитоплазмы. Увеличивается уровень перекисного окисления липидов. При действии стрессора могут происходить сдвиги в соотношении различных групп жирных кислот, изменяется степень их ненасыщенности. (Чиркова, 1997).
Для оценки адаптивного потенциала растений первостепенное значение имеют исследования их защитных ферментов, обеспечивающих непосредственную нейтрализацию различных по происхождению неблагоприятных факторов среды и являющихся важнейшими инструментами сохранения гомеостаза обмена веществ (Соколов, Соколова, 1974; Бессонова, Иванченко, 1975; Лукаткин, 2002; Граскова, Романенко, Владимирова, Колесниченко, 2004; Семенова 2006 и др.).
Ферменты - это катализаторы белковой природы, образующиеся и функционирующие во всех живых организмах. В настоящее время большое внимание уделяют исследованию строения, механизма функционирования ферментов, путей регуляции ферментативной активности. Такой интерес к биологическим катализаторам не случаен. Ферменты выполняют основные функции в регуляторной деятельности клетки, являются ее важнейшими ком 19 понентами, они теснейшим образом связаны с разнообразными процессами жизнедеятельности. Совокупность биохимических реакций, катализируемых ферментами, составляет сущность обмена веществ, являющегося отличительной чертой всех живых организмов. Через ферментативный аппарат, регуляцию его активности происходит и регуляция скорости метаболических реакций, их направленности (Анисимов, Леонтьева, Александрова, 1986).
К наиболее известным и в то же время наиболее значимым в защитной системе любого организма относятся ферменты класса оксидоредуктаз, и, в частности, каталаза и пероксидаза.
В современной энциклопедии каталаза описана так: «Каталаза - очень важный фермент из класса оксидоредуктаз, катализирующий процесс разложения токсичной перекиси водорода, образующейся в процессе биологического окисления при тканевом дыхании, на воду и молекулярный кислород» т.е. в настоящее время не подлежит сомнению ее огромное значение в обеспечении нормального хода окислительно-восстановительных процессов при различного вида неблагоприятных воздействиях
Каталаза (от греч. Katalyo — разрушаю), гемсодержащий фермент класса оксидоредуктаз, окислительно-восстановительную реакцию, в ходе которой из 2 молекул перекиси водорода образуются вода и кислород
2Н202 = 2Н20 + 02
Это двухкомпонентный фермент, состоящий из белковой части (апо-фермента) и небелковой части (простетической группы). Обладает субстратной специфичностью, то есть, способен взаимодействовать только с одним строго определенным субстратом. Она обнаруживается во всех растительных объектах и в большинстве микроорганизмов (кроме облигатных анаэробов). Каталаза в большом количестве находится в особых органеллах растительных и животных клеток - пероксисомах. Активность этого фермента высока почти во всех клетках и органах растений и животных. Каталаза функциони 20 рует в 10000 раз быстрее пероксидаз. Под влиянием каталазы в клетках происходит накопление альфакетокислот в клетках (пировиноградной и альфа-кетоглутаровой) что ведет к повышению интенсивности биосинтеза аминокислот. Фермент каталаза препятствует разложению пероксида водорода на свободные радикалы.
Между ферментами и неорганическими катализаторами имеются существенные различия. Каталитическая активность ферментов значительно превосходит активность неорганических катализаторов. Перекись водорода Н202 разлагается благодаря каталитическому действию ионов железа на воду и кислород; эта же реакция катализируется содержащим железо ферментом ката-лазой. Однако каталитическая активность каталазы колоссально велика по сравнению с каталитической активностью ионов железа. Так, если 1 моль ионов железа при 0 градусов в течение 1 секунды разлагает 10" молей Н202, то соответствующее количество каталазы при той же температуре и за тот же срок может разложить 105 молей перекиси водорода (Кретович, 1980).
В связи с вышеизложенным, уровень активности данного фермента и динамика ее изменения может рассматриваться как показатель, реально отражающий состояние защитных систем организма.
В настоящее время показатель активности каталазы достаточно широко используется в медицине как диагностический признак различных заболеваний (в офтальмологии, терапии, эндокринологии, онкологии и др.) (Султан-баев, 1993; Иванова, Казакова, Казакова, 2005; Цветцих, Бердичевский, Сул-танбаев, Овчинников, Мурычев, Недоризанюк, Леонтьев, Молоков, 2006 и ДРО Пероксидазы, группа ферментов класса оксидоредуктаз; катализируют окисление различных полифенолов, алифатических и ароматических аминов, а также жирных кислот (пероксидаза жирных кислот), цитохрома (цитохром-пероксидаза), глутатиона (глутатионпероксидаза) с помощью перекиси водорода (Н2О2) или органических перекисей. Пероксидаза образует с перекисью водорода комплексное соединение, в результате чего перекись активируется и приобретает способность действовать как акцептор водорода. Этот фермент играет важную роль в дыхании растений, катализируя наряду с полифе-нолоксидазой окисление дыхательных хромогенов в дыхательные пигменты.
Пероксидазы, выделенные из различных источников, различаются молярной массой и субстратной специфичностью. Наиболее подробно изучена растительная пероксидаза (главным образом из корней хрена; молярная масса 44100), простетическая группа которой близка гему гемоглобина. У животных пероксидаза в небольших количествах обнаруживаются лишь в лейкоцитах и молоке. Пероксидаза хрена широко применяют в лабораториях при определении глюкозы в крови и моче, а также в качестве маркерного белка в цитохимических исследованиях.
Пероксидаза активно участвует в окислительно-восстановительных процессах, в регуляции роста и дифференциации клеток, ей придается большое значение в формировании устойчивости растений к различным неблагоприятным факторам (Петрова, Колоша, Мишустина, Сухарова, 1985). В механизмах адаптации растений к внешним воздействиям, в том числе и к действию ионизирующих излучений, немаловажную роль играют множественные молекулярные формы различных ферментов. Их гетерогенность является маркером физиологического состояния растений и, вероятно. Может служить показателем метаболических изменений при радиационном воздействии (Сергеева, Константинова, Аксенова, Чайлахин, 1984; Кузин, 1986)
Пероксидаза является одним из распространенных ферментных белков, обладающих широким спектром действия и участвует в регулировании процессов роста. Активность многих ферментов, в том числе и пероксидазы, значительно реагирует при действии на растения различных загрязнителей. Установлено, что растворимые пероксидазы, представленные цитоплазмати-ческой формой фермента и слабо связанные с клеточными стенками, наиболее чувствительны к влиянию стрессовых факторов. Поскольку образование активных форм кислорода, в том числе перекиси водорода, в настоящее время считается одним из основных механизмов системной фитоустойчивости, изменение активности растворимых пероксидаз может служить в качестве биоиндикатора развития устойчивости растения (Граскова, Романенко, Владимирова, Колесниченко, 2004)
Разработка ориентировочных оптимумов активности ферментов каталазы и пероксидазы и интенсивности работы фотосистемы 2 хлорофиллсодержащих тканей растений яблони и вишни
Как уже упоминалось, функциональная система растения неизменно реагирует на различные факторы, влияющие на него извне, причем, отличительной особенностью многолетних растений является способность накапливать последствия негативного воздействия в течение всей жизни. Многолетний круглогодичный мониторинг состояния плодовых растений по показателям ферментативной и фотосинтетической активности позволил выявить некоторые закономерности, объясняющие ту или иную реакцию растительного организма на воздействие различных стрессоров.
Нами установлено, что:
глубина ответа на стрессоры весеннего периода зависит от степени стрессорности погодных условий осени и зимы, величины и сохранности энергетического пула, о которых косвенно можно судить по уровню активности ферментов и интенсивности фотосинтетических процессов в хлорофиллсодержащих тканях (почки, камбиальный слой) в осенний и зимний периоды. Так, высокая активность фермента каталазы в камбиальном слое и почках растений в декабре-январе в период оттепелей свидетельствует об активизации обменных процессов и усиливает риск как зимних, так и весенних повреждений;
возможность и степень зимних повреждений растений зависит также от их физиологического состояния в период подготовки и вхождения в состояние покоя, что обусловлено сочетанием погодных условий вегетационного периода, активностью и направленностью физиологических процессов в сентябре-октябре и временем затухания ферментативной и фотосинтетической активности;
реакция растительного организма на летние стрессоры обусловлена функциональным состоянием растений и глубиной его стрессорности в весенний период и погодными условиями периода вегетации.
Помимо этого, нами отмечено, что динамические кривые ферментативной и фотосинтетической активности, различных по степени устойчивости сортов имеют общую тенденцию, зависящую, в первую очередь, от фазы развития. Различия отмечены лишь по величинам параметров и скорости восстановления после воздействия негативных факторов.
Так, например, мониторинг по показателям ферментативной и фотосинтетической активности плодоносящих растений сортов яблони Богатырь, Мартовское, Красивое, Декабренок, Северный Синап, Ренет Черненко, Жигулевское, Лобо, Мелба, Синап Орловский, Антоновка Обыкновенная, Орлик, Витязь, Россошанское Полосатое показал, что стрессоры 2000 года вызвали различную по глубине реакцию обменных процессов.
Отмечено, что сорта Богатырь, Северный Синап, Ренет Черненко слабо реагировали на воздействие комплекса негативных факторов: низкие температуры воздуха, высокое количество осадков и высокий уровень солнечной активности. Ферментативная и фотосинтетическая активность у данных сортов в момент максимальной стресснапряженности снизилась на 25-30% и затем достаточно быстро восстановилась (рис.27).
Реакция на негативное воздействие сортов Антоновка Обыкновенная, Декабренок, Мелба, Витязь, Орлик, Красивое может быть отнесена к средней - функциональная активность данных сортов снизилась в момент наибольшей стресснапряжености на 30-40%, однако восстановление было несколько медленнее и не полностью (рис. 27).
Сорта Синап Орловский, Россошанское Полосатое, Мартовское, Лобо можно отнести к экологически слабо устойчивым. В данном случае произошло существенное торможение всех обменных процессов в растениях, и восстановление шло очень медленно, так и не достигнув исходного состояния (рис. 27).
Неоднозначна реакция на стрессоры сорта Жигулевское - в момент стресса растения данного сорта значительно снижают свою функциональную активность (на уровне слабоустойчивых сортов), однако, процесс восстановления проходит на уровне сортов устойчивого типа, причем достаточно полно. Данный сорт может быть отнесен к среднеустойчивым, а в некоторых случаях и к слабо устойчивым, однако регенерационная способность у него очень высока.
Обобщение результатов анализов активности фермента каталазы и показателя Fv/Fm по группам сортов подтвердило ранее выявленные зависимости изменения параметров указанных кривых (рис.28).
Аналогичные исследования были проведены на сортах вишни Жуковская, Тургеневка, Прима, Лебедянская, Молодежная, Десертная Морозовой и сортах крыжовника Черномор, Русский, Русский желтый, Гроссуляр, Черно-сливовый, Малахит (рис. 29).
Установлено, что кривая динамики фотосинтетической активности близка к таковой на сортах яблони лишь с некоторыми отклонениями в зависимости от сроков начала вегетации и начала созревания плодов.
Сравнительный анализ годичных динамических кривых ферментативной и фотосинтетической активности различных по устойчивости сортов яблони и сортов вишни за период 2001 -2006гг. выявил общие тенденции изменения параметров данных показателей в годичном цикле (рис.30-32). С целью определения степени универсальности разрабатываемых кривых в течение 3-х лет (2000-2003 гг.) был проведен сравнительный анализ динамических характеристик вышеуказанных показателей на сортах яблони Жигулевское, Богатырь, Антоновка обыкновенная, Мелба, Вишневое, Синап Орловский, Северный Синап и Ренет Черненко возраста 3 года, 12 лет и 15 лет.
Обобщение результатов показало, что молодые растения имеют более выраженную динамику (пики ферментативной и фотосинтетической активности несколько выше, а торможение в период с октября по март более глубокое) (рис.33). Однако общая тенденция сохраняется не зависимо от возраста сорта. Реакция 12-ти и 15-ти летних растений практически идентична.
Реакция сортов на воздействие разноплановых стрессоров послужила ориентиром для установления допустимых отклонений, определяющих границу летальности произошедших изменений.
Комплекс проведенных исследований позволил разработать ориентировочные динамические кривые с допустимыми отклонениями активности ферментов каталазы, пероксидазы и интенсивности работы фотосистемы 2 по показателю индукции переменной флуоресценции хлорофилла-а в ассимиляционных тканях в годичном цикле развития растений.
Установлено, что активность ферментов имеет тенденцию изменения по синусоиде, содержащей 2 пика (апрель-май и конец июля для яблони; апрель и 3 декада июня - 1 декада июля для вишни) (рис.34). Фотосинтетическая активность хлорофиллсодержащих тканей растений также изменяется синусоидально, однако она имеет 3 пиковых периода, но пики более сглажены (апрель, июнь, 2-3 декады августа) (рис.35).
Помимо этого установлено, что динамические характеристики ферментативной и фотосинтетической активности, и особенно показатели скорости восстановительного процесса после стрессового воздействия, могут служить диагностическими признаками собственно-устойчивости растительного организма к абиотическим и биотическим стрессорам. Следует, однако, учитывать, что корректно оценить состояние растения возможно только, получив динамические характеристики данных показателей в течение, как минимум, одного вегетационного сезона, т.к. направленность и интенсивность обменных процессов меняется в зависимости от фазы развития растения, и только получив полную картину за весь период вегетации, можно судить о степени устойчивости данного сорта.
2001-2005 годы
Вегетационный сезон 2001 года внешне был относительно благоприятным, однако детальное изучение выявило серьезные нарушения развития растений. Немаловажным в данной ситуации был вегетационный сезон 2000 года: растения, как показали исследования их физиологического состояния, были в значительной степени ослаблены высокой стрессорностью весны и лета 2000г. Резкое падение температуры в ноябре и затем длительные глубокие (до 8С) оттепели с резкими перепадами температур воздуха в декабре 2000 - январе 2001гг. усилили разбалансировку энергосистем растений (рис. 72,73). Это в значительной степени сказалось на состоянии растений всех культур, однако наиболее сильно отреагировали растения, физиологическое состояние которых было на очень низком уровне и имели в октябре 2000г. очень высокий уровень дисперсии показателя Fv/Fm (до 0,09 отн. ед.). Так, весной 2001 г. отдельные растения сливы сортов Евразия 21, Богатырская, Ренклод Еникеева погибли. В значительной степени были повреждены или погибли растения крыжовника сортов Орактой, Ленинградец, Африканец и др.
В мае 2001г., особенно в первой и третьей декадах, наблюдались некротические повреждения листьев и замедление ростовых процессов у большинства культур (яблоня, вишня, жимолость, крыжовник, древесные культуры и др.). Эти явления были вызваны длительным периодом пониженных температур (минимальные температуры мая были в среднем на 6-10 ниже значений 1960-1969гг.) и резкими суточными перепадами температур особенно 1-3, 6-8, 20, 27 и 31 мая - разница дневных и ночных температур превышала 16 (рис. 74,75). Кроме того, в 2001 г. цветение плодовых культур было растянуто, что спровоцировало более значительные энергозатраты и, как следствие, ослабление растений. Длительный период цветения привел к нарушению сроков защитных мероприятий - они были проведены с опозданием на 12-14 дней, а это в совокупности с ослабленным состоянием растений привело к массовому распространению патогенной микробиоты (парша, филлостикта) и вредителей (яблонный цветоед, минирующие моли, яблонный пилильщик, плодожорка) (рис. 76).
Период критически-высоких температур (до 40С) во второй декаде июля на фоне отсутствия осадков вызвал волну опадения завязей на яблоне, что в определенной степени явилось защитной реакцией растений позволившей ослабить энергодефицит и сформировать достаточно высокий урожай. Однако созревание плодов было несколько замедлено.
Биохимически это выразилось в подъеме фотосинтетической и ферментативной активности в данный период - если в 1999-2000 гг. показатели Fv/Fm не превышали 0,4-0,5 отн.ед., а активность ферментов приближалась к зимним, то в 2001 г. Fv/Fm составил более 0,65, а активность ферментов была на уровне июньских показателей. Помимо этого погодные условия августа-сентября активизировали синтез этилена, что привело к бурному созреванию плодов яблони и частичному их опадению. Исследования лаборатории биохимии ВНИИС им. И.В. Мичурина на Антоновке обыкновенной показали, что на 27.08 эндогенный уровень этилена в плодах был 0,48 ррт, а к 3.09 возрос до 33 ррт.
Следует отметить, что общий уровень фотосинтетической и ферментативной активности листьев в апреле - сентябре 2001 года был в 1,5-2 раза выше, чем в вегетационном сезоне 2000г. (рис. 77).
Использование биохимических показателей позволило определить характер реакции растений на различные повреждающие факторы и заблаговременно выявить ухудшение состояния растений. Так исследования, проведенные на косточковых культурах в 2000 году показали, что растения абрикоса сорта Погремок, черешни сорта Ревна, практически не повреждавшиеся в сезон 2000 г. весной 2001 имели высокий показатель дисперсии Fv/Fm что свидетельствовало о напряженном состоянии биологических систем и к июлю 2001г. началось опадение листьев, появились некротические повреждения. Аналогичные результаты были получены на яблоне и крыжовнике.
Опыты 2001 года показали, что, опираясь на показатели фотосинтетической и ферментативной активности, возможно прогнозировать сортовую реакцию растений яблони на применение различных защитных систем. Это позволит более обоснованно корректировать применение защитных мероприятий в саду.
Таким образом, вегетационный сезон 2001г. был достаточно энергозатратным - наблюдалось, четыре наиболее сложных периода: резкие перепады температуры в третьей декаде апреля, низкие температуры мая, экстремально высокие температуры на фоне низкого количества осадков в июле и аномально-высокие температуры воздуха в сентябре - октябре, всплеск солнечной активности во второй декаде июня, который совпал с высоким количеством осадков (что также негативно отразилось на состоянии растений) (рис. 78).
Помимо этого 2001 г. был, так же как и 2000 г. годом высокой солнечной активности (рис. 79): в третьей декаде марта, июне и сентябре наблюдались вспышки, когда число Вольфа достигало 200-250 отн.ед., что не могло не сказаться отрицательно на состоянии растений.
Все эти факторы затруднили подготовку растений к зимнему периоду и накопить достаточный энергозапас для закладки урожая 2002г. Не менее значимым фактором, в частности, для яблони, можно считать высокую нагрузку урожаем большинства сортов, что усилило энергозатраты. В то же время длительная теплая погода в сентябре 2001 г. позволила растениям пополнить недостающий энергозапас.
Разбалансировка энергосистем растений началась в условиях января-марта 2002 года. Так, на основании анализа почасовых температур выявлено, что перепад температур за 1-2 часа в январе достигал 20,2С (от -22,6 до -2,2С 7 января и от -6,6 до -24,4 9 января) в феврале - от +1,4 до -16,5 3 февраля. В марте также отмечены значительные (до 18С) суточные перепады температур, причем дневные температуры уже 11-15 марта достигали 12-13С(рис. 80).
Данное обстоятельство слишком рано вывело растения из состояния покоя. Уже в январе было отмечено повышение ферментативной активности. Анализ активности ферментов каталазы и пероксидазы в марте 2002г. показал необычно высокую (в 10-15 раз выше нормы) активность пероксидазы, тогда как в норме в весенний период активность каталазы должна перекры — минимальная f С
Микроскопический анализ срезов однолетних побегов яблони показал серьезные повреждения проводящей системы, коры, камбия, ксилемы и флоэмы. Были отмечены сортовые различия - так если у сортов Орлик и Жигулевское было повреждено до 80 % клеток флоэмы (на срезе), то у сорта Витязь повреждения не превышали 40% клеток. Микроскопия цветковых и вегетативных почек так же выявила значительные повреждения, однако сортовая специфика была иная - клетки листовой пластинки у сорта Жигулевское были повреждены на 25-30%, цветковой почки -до 40%. У сорта Орлик -клетки цветковых и вегетативных почек -до 70-80%; у сорта Витязь - до 50% (рис. 82).
Резкое понижение температуры воздуха в 1 декаде апреля (в 2 раза ниже среднемноголетних значений) оказало двоякое действие на растения яблони, груши и вишни: с одной стороны, это спровоцировало повреждение тканей проводящей системы, вегетативных и генеративных почек (как показали микроскопические анализы), - с другой - явилось т.н. краткосрочным стрессом, который в значительной мере активизировал работу защитных систем растений.
Оценка эффективности различных способов минерального питания растений методом диагностики их функционального состояния
Одним из важнейших элементов технологии возделывания растений является сбалансированное минеральное питание. В тоже время, реально и быстро (в течение одного вегетационного сезона) оценить эффективность применения тех или иных способов внесения азота, калия и фосфора или результативность некорневых обработок макро- и микроэлементами достаточно сложно, т.к. наиболее применяемыми критериями оценки служат химический анализ почвы и листьев, проводимый лишь по окончании вегетации растений (Тарасов, 1981). В растительном организме все процессы тесно взаимосвязаны. Исключение из питательной среды какого-либо необходимого элемента быстро вызывает изменение во многих, если не во всех процессах метаболизма (Ковальский 1982; Бабенко,1990; Тагдиси, Алиев, Мусаев, 1990; Теддер, 1990; Трунов, 2000-2005). Известно, что, например, парамагнитные ионы металлов-микроэлементов играют важную роль в химических и биохимических реакциях, особенно связанных с ферментативным катализом (Протасова, 1998). С участием макро- и микроэлементов осуществляются многие циклы биохимических реакций, связанные с фотосинтезом, дыханием, восстановлением нитратов, фиксацией молекулярного азота воздуха и т.п. Таким образом, нарушение минерального питания растений, в первую очередь, негативно сказывается на их функциональном состоянии (Власюк, 1966, Школьник, 1974; Рубин, 1980; Чекан 1981; Трунов. 2004, 2005).
В связи с этим, мы сочли правомочным попытаться методом мониторинга ферментативной и фотосинтетической активности оценить эффективность различных технологий макро- и микроэлементного питания растений.
Установленные нами коррелятивные зависимости между изменением фотосинтетической активности и активности ферментов каталазы и перок-сидазы, позволили нам осуществлять экспресс-оценку функционального состояния растений, опираясь на динамические показатели интенсивности работы фотосистемы 2 в листьях (Fv/Fm). Показатель дисперсии Fv/Fm в пределах одного растения дал возможность реально оценить степень стабильности состояния растения и в сочетании с показателем Fv/Fm определить направленность его изменения.
Дополнительным контролем служили биометрические характеристики исследуемых растений (длина однолетнего прироста, завязываемость плодов, урожайность).
Анализы проводили в насаждениях ОПО ВЬШИС им. И.В. Мичурина. Эффективность способов минерального питания яблони оценивали в опытах Кондакова А.К., Бобылева Д.В., Рогачева М.А.; крыжовника - в опытах Сурковой О.А.
Яблоня
В опытах А.К. Кондакова и М.А. Рогачева за период с 2000 по 2006 гг. была проведена оценка эффективности внесения азота в вариантах в борозды осенью, в борозды весной и поверхностно весной на сортах Мартовское, Де-кабренок, Богатырь, Синап Орловский.
По результатам анализов установлено, что в варианте «поверхностно весной» наблюдалась более близкая к оптимумам динамика изменения пока зателей - подъем функциональной активности растений в период вегетации и плавное снижение ее к моменту ухода в состояние покоя (3-я декада сентября - 1 декада октября). В вариантах «в борозды осенью» и особенно «в борозды весной» выявлено незначительное усиление интенсивности фотосинтеза в летний период (июнь), и в дальнейшем функциональная активность растений была близка к контрольному варианту (без удобрений). Следует подчеркнуть, что внесение азотных удобрений в борозды осенью обеспечило кратковременный аномальный подъем фотосинтетической активности камбиального слоя в третьей декаде октября, что является негативным для растений яблони, т.к. искусственно продлевает функциональную активность растений и снижает их устойчивость к зимним стрессорам (рис. 140).
Таким образом, ориентировка на динамические и средневегетационные показатели функционального состояния растений позволила, уже в первый год применения, оценить эффективность различных способов внесения удобрений и выявить лучший из них (рис.141). Значимое влияние внесения азота на биометрические показатели (прирост побегов и урожайность) растений проявляется только на второй год, причем более эффективным также был вариант «поверхностно весной» (рис.142.).
В опытах М.А. Рогачева на яблоне сортов Декабренок и Богатырь с обработкой комплексом макро-и микроэлементов «Кристален» на фоне лучшего варианта основного питания растений выявлено положительно влияние обработок. По результатам диагностики функционального состояния растений отмечено повышение устойчивости растений к негативным погодным условиям осеннего периода 2005г. Растения без дополнительных обработок сохраняли аномально высокую (0,68-0,7 отн. ед.) фотосинтетическую активность хлорофиллсодержащих тканей (почки, камбиальный слой) до 17-20 ноября (после опадения листьев), тогда как у обработанных растений отмечено плавное понижение функциональной активности во второй декаде октября.
Показатель Fv/Fm, начиная со второй декады октября, снизился с 0,68 отн. ед. до 0,25-0,3 отн. ед. к третьей декаде ноября. Это обстоятельство по зволило данным растениям с меньшими повреждениями перенести экстремально сторессорный период зимы 2005/2006гг.
Повреждение тканей генеративных почек в варианте без дополнительных обработок составило до 30% тканей у 70% из числа проанализированных почек на сорте Богатырь и до 60% тканей у 90% из числа проанализированных почек у сорта Декабренок. Генеративные почки сорта Декабренок в варианте с дополнительными обработками получили значительно меньшие повреждения - 12-15%) тканей у 10% из числа проанализированных почек, а растения сорта Богатырь имели лишь незначительные повреждения (не выше 8-10% тканей пыльников у 60% из числа проанализированных почек). Урожай в данных вариантах был на 55-70% выше, чем в вариантах без дополнительных обработок (рис. 143).
Крыжовник
Известно, что необоснованное применение удобрений в ягодном питомнике может снизить качество саженцев даже на высоком агротехническом фоне. На опытах Сурковой О.А. мы оценивали влияние различных норм и сроков внесения минеральных удобрений на качество двулетних саженцев крыжовника сорта Черномор, полученных из отводков. В качестве основных элементов питания использовали аммиачную селитру, хлористый или сернокислый калий.
Варианты опыта:
1. Naa20 Кс3 0 глубоко (на глубину 15-20см)
2. Кх30глубоко + Naa20 поверхностно,
3. Naa20 поверхностно +Naal 0 поверхностно через 1,5 месяца Контроль - неудобренные растения.
Нами в 2004-2006гг. была проведена оценка эффективности внесения удобрений по показателю интенсивности работы фотосистемы 2 в листьях.
По результатам анализов установлено, что уже после первого внесения удобрений (5-7 июня) наблюдалось повышение фотосинтетической актив ность во втором и третьем вариантах (0,7 отн. ед. в первом варианте, 0,713 отн. ед. во втором варианте и 0,683 отн. ед. в контроле), а после повторного внесения аммиачной селитры в варианте 3 отмечено стабильное положительное влияние удобрений на интенсивность фотосинтеза - показатель Fv/Fm в данном варианте колебался в пределах 0,723 - 0,731 отн. ед. при низких значениях дисперсии (не более 5,07Е-05 отн. ед.). В варианте «калий хлористый глубоко+аммиачная селитра поверхностно» ко второй декаде июля наблюдалось некоторое снижение фотосинтетической активности листьев, причем дисперсия показателя в пределах одного растения возросла (рис.144).
Совместное глубокое внесение сернокислого калия и аммиачной селитры уже на начальных этапах (вторая декада июня) вызвало лишь незначительный подъем фотосинтетической активности по сравнению с контролем (0,688 отн. ед. в варианте и 0,683 отн. ед. в контроле) при высоких значениях дисперсии показателя в пределах одного растения (0,01325 отн. ед.). В дальнейшем состояние растений несколько ухудшилось, и к концу вегетационного сезона (1-я декада сентября) отмечено значительное снижение фотосинтетической активности листьев в данном варианте (0,61 отн. ед. в варианте и 0,69 отн. ед. в контроле).
Значимые различия по биометрическим показателям (рост растений, развитие корневой системы) было выявлено лишь в первой декаде августа, причем, что не менее важно, отрицательное влияние совместного глубокого внесения сернокислого калия и аммиачной селитры также проявилось лишь в третьей декаде июля, тогда как по диагностическим показателям уже после первых анализов (первая-вторая декады июня) выявлено достоверное негативное влияние данного варианта внесения удобрений на развитие саженцев крыжовника (рис. 145).
Таким образом, применение диагностики состояния растений позволяет реально оценивать эффективность различных элементов технологии, прогнозировать направленности его изменения, вносить своевременную корректировку в различные системы агротехнического воздействия.
