Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Физиолого-биохимические показатели, используемые в экспресс-диагностике растений в контролируемых условиях среды (состояние изученности проблемы) 15
Глава 2. Объекты и методы исследования
2.1. Объекты исследования 25
2.2. Установки для экспериментов с растениями 27
2.3. Условия культивирования растений 28
2.4. Проводимые измерения и выполняемые анализы 30
Результаты исследований
Глава 3. Диагностика устойчивости растений к действию неблагоприятных биотических и абиотических факторов по способности проростков к гуттации 34
3.1. Интенсивность гуттации и «плача» - неспецифические показатели физиологического состояния растений 34
3.2. Методы диагностики устойчивости зерновых злаков к разнообразным стрессорам 43
3.2.1. Почвенная засуха 43
3.2.2. Засоление 55
3.2.3. Повышенная кислотность корнеобитаемой среды 60
3.2.4. Повышенная концентрация ионов алюминия 71
3.2.5. Возбудители корневой гнили 82
3.3. Диагностика овощных культур на холодоустойчивость 98
3.4. Диагностика засухоустойчивости пшеницы по эффективности набухания семян в высокоосмотических растворах 109
3.4.1. Физиолого-биохимическая разнокачественность семян по способности к набуханию в растворах осмотика 109
3.4.2. Способ индивидуального отбора семян 125
Глава 4. Диагностика зерновых злаков на засухоустойчивость и содержание белка в зерне на основе определения ростовых реакций зародышевых корней и листьев растений 135
4.1. Диагностика на устойчивость к почвенной засухе 135
4.1.1. Режимы культивирования растений, имитирующие почвенную засуху 135
4.1.2. Устройства для культивирования растений и изучения их корневых систем 157
4.1.3. Метод диагностики засухоустойчивости растений по скорости роста зародышевых корней 166
4.2. Автоматическая диагностика растений на устойчивость к стрессорам по скорости роста надземной части биомассы 179
4.3. Диагностика ячменя на содержание белка в зерне по ростовой некротической реакции листьев 188
Глава 5: Возможности диагностики зерновых злаков на потенциальную продуктивность в контролируемых условиях 199
5.1. Влияние высоких уровней ФАР на физиолого-биохимические характеристики и продуктивность растений 199
5.1.1. О некоторых резервах повышения продуктивности в контролируемых условиях 199
5.1.2. Метод выявления высокопродуктивных форм зерновых злаков 216
5.2. Конвейерный подход к селекции растений 235
5.2.1. Принципы построения линий последовательного скрининга растений в онтогенезе 235
5.2.2. Модель линии последовательного скрининга яровой пшеницы в онтогенезе на засухоустойчивость 238
Практические рекомендации 244
Заключение 245
Выводы 248
Библиографический список использованной литературы 250
- Интенсивность гуттации и «плача» - неспецифические показатели физиологического состояния растений
- Физиолого-биохимическая разнокачественность семян по способности к набуханию в растворах осмотика
- Устройства для культивирования растений и изучения их корневых систем
- О некоторых резервах повышения продуктивности в контролируемых условиях
Введение к работе
Актуальность проблемы. Задача получения высоких и стабильных урожаев сельскохозяйственных культур всегда была и является сегодня одной из самых важных. Для того, чтобы производство растениеводческой продукции было устойчивым и экологически безопасным, кроме совершенствования полевых технологий необходимо использование продуктивных и устойчивых (адаптивных) сортов сельскохозяйственных культур. Для создания таких сортов требуется проведение диагностики селекционно-ценных признаков растений. В светокультуре и, особенно, в полевых условиях (практическая селекция) выполнение такой оценки растений является довольно трудоемким и продолжительным по времени этапом. Сегодня, несмотря на значительный прогресс в создании нового гибридного материала с использованием современных методов селекции и оригинальных биотехнологических подходов, узким местом является ранняя оценка растений [Лисовский, Долгушев, 1986, с. 16; Кефели, 1994, с. 167; Драгавцев и др., 1995, с. 343].
Существующие способы диагностики ценных для селекции количественных признаков довольно продолжительны во времени, часто приводят к потере перспективных генотипов и, в целом, снижают эффективность селекционной работы по различным направлениям. Как правило, существующие рекомендации направлены на различение сортов, а для ускорения селекционного процесса нужно оценивать не сорта, а индивидуумы, т.е. успешно вести индивидуальный отбор среди громадного материала. Поэтому в решении задач селекции и семеноводства возникает острая необходимость исследования методологических основ нетрадиционных физиологических подходов к диагностике, способных не нарушая целостности растений, определить их селекционно-ценные количественные признаки.
Как известно, с эффективным поглощением и использованием воды растительным организмом связана активность его метаболических процессов [Mclntyre, 1987] и, следовательно, продуктивность и устойчивость к действию неблагоприятных экологических факторов. Поэтому параметры водообмена широко используются для оценки физиологического состояния растений и наличия у них ряда полезных хозяйственных признаков [Шматько, Шведова, 1977; Генкель, 1982; Удовенко, Гончарова, 1982; Winter, Musick, Porter, 1988; Ермаков, Мелещенко, Радченко, 2002]. К сожалению, среди имеющегося арсенала конкретных методов диагностики селекционного материала не так много простых, экспрессных, не разрушающих растения. В этой связи представляет несомненный интерес изучение интегральных физиологических показателей, связанных с поглощением воды растительным организмом и обусловленных этим процессом ростовых характеристик.
Анализ литературных данных показал, что светового насыщения фотосинтеза растительного ценоза не происходит при облученности, равной максимальной солнечной [Ничипорович, 1956; Hesketh, Baker, 1967]. К началу наших исследований не было данных об успешном применении высоких (выше максимального солнечного) уровней ФАР для изучения продуктивности фитоценозов и отбора растений на потенциальную продуктивность.
Представляется, что использование высокопроизводительных и неповреждающих методов диагностики (скрининга) растений на продуктивность и устойчивость к действию стресс-факторов позволит существенно ускорить проведение оценки (отбора) генотипа - самое узкое звено в технологической цепи селекционного процесса - и повысить эффективность последнего.
Цель работы - физиологическое обоснование и разработка методов неповреждающей экспресс-диагностики ценных для селекции количественных признаков растений.
7 Основные задачи: - изучить в контролируемых условиях параметры поглощения воды проростками и семенами зерновых злаков и овощных культур при действии ряда стресс-факторов; - разработать на основе показателей способности проростков к гуттации и эффективности набухания зерновок физиологические методы неповреждающеи и экспрессной диагностики растений на устойчивость к основным неблагоприятным экологическим факторам: почвенной засухе, засолению, повышенной кислотности почвы, холоду, возбудителям корневой гнили; разработать на основе показателей ростовых реакций листьев и зародышевых корней зерновых злаков методы неповреждающеи и экспрессной диагностики растений на устойчивость к почвенной засухе и содержание белка в зерне; изучить влияние высокоинтенсивного фотосинтетически активного излучения на ростовые характеристики пшеницы, обосновать методологию отбора зерновых злаков на потенциальную продуктивность колоса при использовании высоких уровней ФАР; разработать в контролируемых условиях режимы, моделирующие весенне-летнюю почвенную засуху и позволяющие проводить диагностику засухоустойчивости растений зерновых злаков.
Научная новизна. Впервые показано, что способность проростков поддерживать на высоком уровне интенсивность гуттации в условиях действия стрессора может служить показателем общей устойчивости растений к действию различных неблагоприятных экологических факторов. Впервые зарегистрировано, что способность семян пшеницы к прорастанию в растворах осмотика связана с эффективностью их начального набухания в таких растворах.
На основе определения способности проростков к гуттации и семян к набуханию, а также измерения ростовых реакций листьев и зародышевых
8 корней проростков впервые разработаны неповреждающие методы диагностики селекционно-ценных количественных признаков растений - содержание белка в зерне, устойчивость к почвенной засухе, засолению, повышенной кислотности почвы, холоду, возбудителям корневой гнили.
Впервые показано, что культивирование пшеницы при уровнях ФАР, превышающих максимальный солнечный, сопровождается появлением защитно-приспособительных реакций растений, значительным увеличением урожайности фитоценоза и позволяет выявлять высокопродуктивные формы (биотипы) внутри сортовой популяции.
Практическая значимость. Созданы экспрессные неповреждающие методы диагностики ценных для селекции признаков растений - содержания белка в зерне, устойчивости к почвенной засухе, засолению, повышенной кислотности почвы, холоду, возбудителям корневой гнили.
Разработана методология отбора в контролируемых условиях высокопродуктивных форм пшеницы и ячменя, которая может найти применение в повышении потенциала урожайности существующих сортов-популяций.
С помощью разработанных методов в Красноярском НИИ сельского хозяйства были выделены перспективные линии ярового ячменя, а образец № У-20-706 успешно прошел конкурсное сортоиспытание и готовится к передаче в Государственное сортоиспытание. Комплексная оценка на устойчивость к действию стрессовых факторов позволила выделить из гибридного материала ячменя сорт Кедр, который в течение последних 10 лет занимает основные площади в Красноярском крае и возделывается в Казахстане на территории свыше 1 млн. га.
Методы оценки ячменя и пшеницы на содержание белка в зерне и засухоустойчивость отмечены Серебряной медалью ВДНХ СССР. По результатам проведенных исследований изданы «Методические рекомендации по оценке селекционного материала на устойчивость к стрессовым факторам внешней среды» (Москва: ВАСХНИЛ, 1990).
9 Результаты научных исследований используются в учебном процессе биологического факультета Красноярского государственного университета в большом экологическом практикуме и при выполнении курсовых и дипломных работ.
Защищаемые положения.
Способность проростков поддерживать на высоком уровне интенсивность гуттации в условиях действия стрессора может служить показателем общей устойчивости растений к различным неблагоприятным биотическим и абиотическим факторам. Определение интенсивности гуттации проростков является неспецифическим, экспрессным, неповреждающим методом диагностики растений на устойчивость к действию: почвенной засухи, засолению и повышенной кислотности почвы, холоду, возбудителям корневой гнили.
Физиологическая разнокачественность семян пшеницы по способности к прорастанию в растворах осмотика связана с эффективностью их начального набухания в таких растворах. Сравнение удельной плотности семян до и после их набухания является неповреждающим, экспрессным методом индивидуального отбора пшеницы на засухоустойчивость.
Более совершенная адаптивная реакция у засухоустойчивых образцов зерновых злаков к нарастающему водному дефициту, заключающаяся в активизации скорости роста корней, является основой физиологического метода оценки сортов на устойчивость к почвенной засухе.
Степень проявления некротической реакции на листьях ячменя в условиях избыточного уровня минерального питания зависит от содержания белка в зерне. Измерение длины некротического участка листа является неповреждающим методом диагностики растений ячменя на высоко- и низкобелковость.
Культивирование пшеницы при уровнях ФАР, превышающих максимальный солнечный, приводит к формированию защитно-приспособительных реакций растений, сопровождается значительным
10 увеличением урожайности ценоза и создает условия для выявления высокопродуктивных форм (биотипов) внутри сортовой популяции.
Разработанные режимы, моделирующие весенне-летнюю почвенную засуху, позволяют проводить отбор зерновых злаков на засухоустойчивость.
Достоверность обеспечена сопоставлением полученных результатов с данными, базирующимися на других, независимых методах, проверкой полученных лабораторными методами результатов диагностики в реальных полевых условиях.
Работа выполнена в рамках комплексных исследований, проводимых в лаборатории управления биосинтезом фототрофов Института биофизики СО РАН по следующим научным программам: «Параметрическое управление биосинтезом высших растений в светокультуре» (1981-1985 гг, номер госрегистрации 81007907); «Фотобиологические основы управления продукционным процессом в светокультуре растений» (1986-1990 гг, номер госрегистрации 01860048044); «Пути повышения энергетической эффективности фитоценозов в условиях высокоинтенсивного искусственного облучения» (1991-1995 гг, номер госрегистрации 01910012048); «Устойчивость фотосинтезирующих систем различной степени сложности к воздействию экстремальных факторов внешней среды в искусственных условиях» (1996-2000 гг, номер госрегистрации 01960004915); «Разработать поточную линию и технологию исследований продуктивности и устойчивости к абиотическим факторам среды растений зерновых культур на раннем этапе онтогенеза» (проект № 3-954 в рамках Государственного научно-технического задания, 1990-1991 гг); «Разработать способ автоматического полива растений» (договор с НПК «БЭЛТ», 1992-1993; контракт с британской фирмой Нельсон дизайн, 1993-1994 гг); «Анализ и обобщение данных по устойчивости высших растений к уровням факторов среды, отклоняющихся от нормальных» (контракт с американской компанией Боинг, 1994-1995 гг) «Исследование взаимодействий в упрощенной замкнутой системе: растения-почва-атмосфера; влияние микроорганизмов на процессы усиления фотосинтетической продуктивности» (проект INTAS, 1995-1997 гг); «Сравнительное изучение физиологических особенностей контрастных по продуктивности генотипов ярового ячменя»; «Разработка и испытание метода оценки ячменя в светокультуре на устойчивость к кислым почвам»; «Сравнительное изучение эффективности методов оценки ячменя на кислотоустойчивость» (договоры с Красноярским НИИСХ СО РАСХН, 1989-1990; 1993-1994; 1997-1998 гг); «Разработка и испытание метода индивидуального отбора пшеницы на засухоустойчивость по семенам» (договор с Красноярским сельскохозяйственным институтом, 1990 г); «Оценка разнокачественности семян пшеницы и ячменя в светокультуре» (договор с НПК «Агро», 1991 г).
Кроме того, работа выполнялась в творческом содружестве с учеными Института цитологии и генетики СО РАН, Красноярского госуниверситета, Красноярского сельскохозяйственного института, Всероссийского НИИ селекции и семеноводства овощных культур РАСХН, НИИ овощного хозяйства НПО по овощеводству «Россия» Госагропрома РСФСР, Московского отделения ГНЦ РФ ВНИИ растениеводства им. Н.И. Вавилова.
Апробация работы. Материалы диссертации представлены более чем в 50 публикациях, включая монографию, 5 авторских свидетельств СССР на изобретения и 1 патент России на промышленный образец, а также доложены и обсуждены на: Всесоюзной конференции «Физиолого-биохимические процессы, определяющие величину и качество урожая у пшеницы и других колосовых злаков» (Казань, 1972); Всесоюзных конференциях «Управление скоростью и направленностью биосинтеза у растений» (Красноярск, 1973;
1977); I Всесоюзном научно-техническом совещании «Оснащение селекционных центров светотехническим оборудованием» (Шортанды, 1975); X Чтениях, посвященных разработке научного наследия и развитию идей К.Э. Циолковского (Калуга, 1975); Всесоюзном симпозиуме «Пластидный аппарат и устойчивость растений» (Ленинград, 1975); IV Всесоюзной конференции по фотоэнергетике растений (Киев, 1975); II координационном совещании «Системы надежности клеток» (Канев, 1977); Всесоюзной конференции «Кинетика и термодинамика переходных процессов в биологических системах (Москва, 1977); Всесоюзной конференции «Фотоэнергетика растений» (Алма-Ата, 1978); Всесоюзной конференции «Светокультура растений» (Одесса, 1979); Всесоюзной конференции «Проблемы светокультуры растений» (Симферополь, 1980); Всесоюзной конференции «Проблемы и пути повышения устойчивости растений к болезням и экстремальным условиям среды в связи с задачами селекции» (Ленинград, 1981); XXII Международном Астронавтическом конгрессе (Италия, Рим, 1981); Всесоюзном симпозиуме «Эколого-физиологические исследования фотосинтеза и водного режима растений» (Иркутск, 1982); Всесоюзной конференции «Физиолого-биохимические механизмы регуляции адаптивных реакций растений и агрофитоценозов» (Кишинев, 1984); VIII Всесоюзном симпозиуме по водному режиму растений (Ташкент, 1984); Всесоюзной конференции «Устойчивость к неблагоприятным факторам среды и продуктивность растений» (Улан-Удэ, 1984); Всесоюзной конференции «Проблемы и перспективы селекции зерновых культур» (Жодино, 1985); Семинаре ВДНХ СССР «Селекция овощных культур» (Москва, 1985); Всесоюзном симпозиуме «Физиологические и биохимические основы солеустойчивости растений» (Ташкент, 1986); Всесоюзной выставке «Биологическая наука продовольственной программе СССР» (Москва, 1986). 6-м Европейском Конгрессе Общества физиологов растений (Югославия, Сплит, 1988); Международной конференции «Рост и продуктивность овощных культур в
13 контролируемых условиях» (ГДР, Берлин, 1989); II съезде Всесоюзного общества физиологов растений (Минск, 1990); 4-м Международном микологическом конгрессе (ФРГ, Регенсбург, 1990); Ежегодных научных чтениях памяти Д.А. Сабинина «Минеральное питание растений» (Москва, 1988; 1989; 1990); Всесоюзных симпозиумах «Биофизика мембран» (Звенигород, 1987; Пущино-на-Оке, 1988; Ялта, 1990); Советско-американских симпозиумах «Замкнутые экологические системы жизнеобеспечения» (Шушенское, 1989; Красноярск, 1990); Советско-японском симпозиуме «Замкнутые экологические системы» (Красноярск, 1991); 6-м Международном конгрессе по генетике ячменя (Швеция, Хельсинборг, 1991); Международном симпозиуме «Экология корней и ее прикладное значение» (Австрия, Вена, 1991); 31-й Научной Ассамблее КОСПАР (Англия, Бирмингем, 1996); 32-й Научной Ассамблее КОСПАР (Япония, Нагоя, 1998); II Международном симпозиуме «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск, 2000); Международной научно-практической конференции «Высокоэффективные биотехнологии нового поколения в производстве экологически безопасных продуктов питания и биопрепаратов для населения» (Новосибирск, 2002); Тематическом семинаре «Биофизика фотосинтеза и замкнутые экологические системы» Института биофизики СО РАН (Красноярск, 2003).
Личный вклад автора. Идея исследования принадлежит автору. Представленные в диссертации результаты, оригинальные методы и устройства получены и разработаны лично автором либо при его непосредственном участии и опубликованы в соавторстве с сотрудниками, работавшими под его руководством или в процессе творческих контактов.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов, списка литературы; изложена на 305 страницах в печатном виде с использованием компьютерного набора и оформления материалов: шрифт машинопись, редактор Word for Windows. Работа
14 включает 62 таблицы и 41 рисунок. Список литературы содержит 345 отечественных и 219 иностранных источников.
Благодарности. Автор безгранично благодарен своим учителям: д.б.н., профессору Г.М. Лисовскому и д.б.н., профессору В.М. Гольду, а также научному консультанту и соавтору академику Россельхозакадемии д.с.-х.н., профессору Н.А. Сурину. Автор считает своим приятным долгом выразить глубокую признательность всем сотрудникам лаборатории управления биосинтезом фототрофов и аналитической лаборатории Института биофизики СО РАН за практическую помощь, оказанную на разных этапах проведенного исследования.
Интенсивность гуттации и «плача» - неспецифические показатели физиологического состояния растений
Общеизвестно, что процессы гуттации и выделения пасоки растениями могут регистрироваться только при «выключенном» верхнем концевом двигателе - транспирации - и обусловлены лишь создаваемым корневым давлением. В этих условиях градиентом гидростатического давления можно пренебречь, так как поглощение воды корневой системой происходит по градиенту осмотической компоненты водного потенциала и зависит от содержания в клетках корня осмотически активных соединений [Лялин, 1989; Мелещенко, 1998; Steudle, 2000].
Известно, что всякое увеличение дыхания корней повышает их водопоглотительную активность [Самуилов, 1965; Yoshida, Eguchi, 1989], а также, что дыхание корней активизируется, если идет процесс фотосинтеза [Ничипорович, Чень Инь, 1959]. Прослежена корреляция между дыханием корней и поглощением растениями воды, ионов калия, фосфора [Ермаков, Медведева, Соловьев, 1985].
Все это может свидетельствовать о существовании определенной связи между ростовыми процессами в растениях с одной стороны и водопоглотительной активностью корней с другой. Однако достаточно четкого доказательства такой связи в литературе нам найти не удалось. Поэтому было проведено исследование зависимости скорости выделения пасоки от интенсивности ростовых процессов в растениях на примере огурца (сорт Московский тепличный) и томата (сорт Пламя).
С целью формирования различающихся по физиологическому состоянию растений огурца их культивировали в течение трех недель в климатических камерах при разных световых режимах, используя красную и синюю области излучения, а также белый спектр при одном и том же уровне облученности, равном 100 Вт/м2 ФАР [Polonsky, Alekhina, 1996]. На рисунке 1А можно видеть четкую зависимость интенсивности выделения пасоки от абсолютного содержания Сахаров в листьях огурца. Аналогичная связь прослеживается между этим физиологическим процессом и биомассой корня (рис. 1Б). Рассчитанные коэффициенты корреляции между скоростью выделения пасоки и некоторыми физиологическими параметрами оказались высокими и достоверными (табл. 1). Итак, существует зависимость водопоглотительной активности корня от содержания ассимилятов в листьях и, вероятно, от их притока к корням. Можно предположить, что длительное затемнение растений из-за прекращения процесса фотосинтеза приведет к уменьшению «предтемнового» фонда ассимилятов в корне, что снизит дыхательную активность последнего и концентрацию осмотически активных соединений в корне. Это в свою очередь должно отразиться на временной динамике скорости поглощения воды корнем. Поскольку последний процесс зависит от осмотической компоненты водного потенциала корня, то дополнительный во время темноты приток ассимилятов из надземных органов в корень должен способствовать замедлению темпа падения скорости поглощения воды (регистрируемой по интенсивности «плача»). Проведенные нами эксперименты с 10-суточными растениями томата подтвердили это предположение. На рис. 2 видно, что у растений со срезанными сразу после выключения света листьями, по сравнению с параллельными целыми растениями, срезаемыми непосредственно перед каждым измерением в темноте, снижение водопоглотительной активности корня происходит быстрее. Хорошо известно, что аттрагирующий центр - корень в отличие от, например, аттрагирующего центра - листа не является автотрофным органом растения. Поэтому процессы дыхания, биосинтеза и роста в корне возможны 38 лишь благодаря притоку к нему ассимилятов из фотосинтезирующих частей растения (а также на самых первых этапах развития проростка из запасающих частей семени). Показано, что повышение уровня облученности увеличивало поглощение воды корнем [Вахмистров, Али-Заде, 1973], длительное затемнение растений снижало скорость выделения пасоки [Tachibana, 1988] и поглощение воды корнями [Czerski, 1976], а при неблагоприятных условиях для роста листьев рост корней тормозился [Сытник, Книга, Мусатенко, 1972]. Известно, что активизация процесса фотосинтеза в листьях сопровождается приростом в этих органах содержания водорастворимых углеводов и возрастанием их оттока [Ничипорович, Слободская, Карпушкин, 1963; Шаньгина, 1965]. Ассимиляты, притекающие в корень, используются в нем в биосинтетических процессах, а также для удовлетворения потребностей последних в энергии. Кроме того, ассимиляты расходуются в процессе дыхания на энергетическое покрытие работы, совершаемой при поглощении корнем минеральных элементов. Так, у адаптированных к условиям произрастания травянистых растений на поглощение минеральных ионов корневыми системами идет до 10% от суммарных дыхательных трат [Головко, 1998]. "Приток к корням больших и устойчивых запасов Сахаров, обеспечивающих высокую интенсивность дыхания, является, видимо, необходимым условием поглотительной деятельности корневой системы" [Анисимов, 1965].
В условиях действия неблагоприятных экологических факторов поглощение воды корнем снижается. В наших экспериментах, моделировавших разнообразные абиотические и биотические стресс-факторы, такие как почвенная засуха, засоление или закисление почвы, холод, поражение корней патогенными микроорганизмами, скорость гуттации проростков падала с увеличением уровня напряженности стрессора (рис. 3). Таким образом, изменение физиологического состояния растений под влиянием неблагоприятного экологического фактора выражалось в виде их неспецифической реакции - снижении способности проростков к гуттации [Polonsky, Polonskaya, 1991].
Физиолого-биохимическая разнокачественность семян по способности к набуханию в растворах осмотика
Каковы же причины более значительного уменьшения величины ИГ у холодочувствительных сортов огурца и томата по сравнению с холодоустойчивыми образцами при понижении температуры? На величину ИГ оказывает влияние кроме нагнетательной активности корня в поглощении влаги скорость транспорта воды до гидатод. Для выяснения степени влияния последнего на ИГ в специальных опытах параллельно измеряли интенсивность экссудации (ИЭ). Результаты представлены в таблице 24. Можно видеть, что у рассматриваемых контрастных по холодоустойчивости сортов относительные величины ИЭ различались у томата примерно вдвое, а у огурца в 3 раза. Приблизительно те же соотношения отмечаются и для относительной величины ИГ. Следовательно, основную роль в снижении ИГ в условиях пониженной температуры у холодочувствительных сортов по сравнению с холодоустойчивыми играет собственно процесс поглощения воды корнем.
Следовательно, на уменьшение ИГ процесс транспорта воды по тканям семядолей существенного влияния не оказывает. Из литературы известно, что при действии пониженной температуры падает скорость межклеточного диффузионного переноса воды. Последнее показано, в частности, на семядолях огурца [Самуилова, Анисимов, Гусев, 1984]. Можно предположить, что при выбранных нами значениях температуры у исследованных сортов овощных культур автономизация водного режима каждой клетки практически еще не происходит. По всей вероятности, сортовая специфичность реакции проростков томата и огурца на понижение температуры обусловлена главным образом различной активностью корней в поглощении влаги.
Почему это происходит? На теплолюбивых видах культурных растений неоднократно экспериментально было продемонстрировано, что понижение температуры приводит к резкому уменьшению скорости поглощения воды корнем [Ungar, Danielson, 1967; Kleinendorst, Brouwer, 1970; Можаева, Пильщикова, 1972; Bowen, 1972]. Известно, что движущей силой поступления воды в растение является градиент водного потенциала по радиусу корня [Слейчер, 1970]. Этот градиент поддерживается на необходимом уровне за счет потока энергии, поставляемого процессом дыхания. На растениях томата найдено существование тесной корреляции между дыханием корней и поглощением воды растениями [Ермаков, Медведева, Соловьев, 1985]. Кроме интенсивности дыхания на поглощение воды корнем влияет величина вязкости жидкой фазы. Эти внутренние факторы в сильной степени зависят от температуры [Dalton, Gardner, 1978; Nielsen, 1974]. Так, при снижении температуры от 25С до 10С интенсивность дыхания интактных корней (томат, кукуруза) падала в 3-4 раза [Jensen, 1960], а транспорт воды в корневой системе (фасоль) уменьшался на 80% [Markhart, 1987]. Найдено, что у адаптированных к действию низкой температуры растений фасоли критическая температура, выше которой вязкость жидкой фазы играет существенную роль в поглощении воды корнем, лежит выше 20С, а у неадаптированных - выше 30С [Kuiper, 1963]. В наших экспериментах использовались значения температуры 8-16С, что существенно ниже критических. Поэтому логично предположить, что в условиях пониженной температуры меньшая степень изменения скорости поглощения воды проростками холодоустойчивых сортов томата и огурца по сравнению с холодочувствительными была обусловлена в основном различием в дыхательной активности корней. Как было показано выше (рис. 10), максимальные отличия в величине ИГ между контрастными по устойчивости к холоду сортами томата регистрировались при температурах 10-12С, а огурца при 14-16С. По-видимому, именно в указанных областях значений температур максимальны отличия в интенсивности дыхания изучаемых сортов овощных культур. Так, согласно литературным данным, при температурах около 10С 107 интенсивность дыхания, измеренная на изолированных митохондриях, резко снижается. Этот порог ослабления дыхания (который сдвинут в сторону более низких температур у холодоустойчивых растений) определяется значениями фазовых переходов липидов мембран [Lyons, Raison, 1970]. В этом же температурном интервале 9-12С у томата были зарегистрированы фазовые переходы в тилакоидных полярных липидах [Raison, Orr, 1986]. Можно предположить, что в наших опытах у холодоустойчивых сортов томата фазовые переходы в липидах были при температурах, близких к 10С, тогда как у холодочувствительных - при температурах около 12С. Фазовые переходы в липидах зависят от химического состава и строения соответствующих мембран [Lyons, Wheaton, Pratt, 1964], которые в свою очередь определяются генотипом. По-видимому, это обеспечивает один из возможных механизмов сортовой специфики холодоустойчивости томата, связанный с сохранением эффективности дыхания при более низких температурах. Апробацию предлагаемого подхода к оценке томата и огурца на холодоустойчивость на ряде контрастных сортов проводили в день перевода растений в условия пониженной температуры. Возраст растений - 2 суток от всходов. Результаты представлены в таблице 25. Рассчитанный бисериальный коэффициент корреляции по отношению ИГ, измеренной при пониженной температуре, к таковой в контроле между холодоустойчивыми и холодочувствительными группами сортообразцов, показал существенные величины. Для огурца он был равен 0,982, а для томата 0,905. Таким образом, предлагаемый метод определения холодоустойчивости овощных растений, основанный на измерении величины ИГ проростков при двух температурных режимах, является простым, экспрессным, не повреждающим растения и не требующим специальной аппаратуры и дорогостоящих химических реактивов. Кроме того, в предлагаемом методе для оценки холодоустойчивости овощных культур используются одни и те же растения, проходящие последовательно испытание при двух температурах, а не выращиваются и анализируются параллельно два варианта растений. Это позволяет в принципе применять разработанный метод и для индивидуального отбора растений на холодоустойчивость. Описанный подход может быть полезным при селекционной оценке и отборе на ранних этапах онтогенеза растений огурца, томата и, по-видимому, других овощных культур. Методика диагностики томата на холодоустойчивость передана для практического использования в работе с селекционным материалом в НИИ овощного хозяйства НПО по овощеводству «Россия».
Устройства для культивирования растений и изучения их корневых систем
В литературе показано, что при возобновлении полива после действия водного стресса засухи репарация ростовых процессов у более устойчивых к засухе сортов происходит эффективнее. Так, засухоустойчивые образцы ячменя отличались большими суточными приростами листьев [Шевелуха и др., 1983], а водоудерживающая способность устойчивых сортов быстрее достигала уровня контроля по сравнению с неустойчивыми [Кожушко, 1976].
Разработанный режим диагностики злаков был испытан на ряде контрастных по засухоустойчивости сортов. В проведенных экспериментах продолжительность модельной засухи и последующий период репарации составляли по двое суток. Результаты измерений скорости роста третьего листа представлены в табл. 42. Можно видеть достаточно четкие различия между высокозасухоустойчивыми и чувствительными к засухе сортообразцами (достоверно при уровне значимости 0,05, кроме сорта ячменя Гинтариняй). Рассчитанный бисериальный коэффициент корреляции между этими двумя группами сортов по скорости роста за вторые сутки репарации составил 0,787 для пшеницы и 0,918 для ячменя. Описанный метод в принципе подходит и для проведения индивидуальной оценки растений на засухоустойчивость. В этом случае целесообразно применять иной вариант размещения злаков в вегетационном поддоне, позволяющий извлекать каждое растение без повреждения корней, например, с помощью кювет нашей конструкции (см. ниже). Таким образом, разработанный лабораторный метод диагностики хлебных злаков на устойчивость к почвенной засухе с использованием режима культивирования растений, включающего помещение корней в насыщенное влагой воздушное пространство, позволяет сократить время экспозиции при оценке растений, создавать засуху любой напряженности (варьируя длительность экспозиции), многократно воспроизводить условия дефицита влаги в корневой зоне. Оценка образцов пшеницы и ячменя по измерению скорости роста третьего листа возможна, если время пребывания растений в условиях такой модельной засухи и период репарации составляют по двое суток. Предлагаемый метод оценки растений на засухоустойчивость является простым, экспрессным и может найти практическое применение в селекционной работе с сортообразцами пшеницы, ячменя и, вероятно, других зерновых культур. Для создания сортов, устойчивых к весенне-летней почвенной засухе, важно проведение оценки темпов роста зародышевых корней и их числа. Использование в светокультуре высева семян в почву или в любой другой ее заменитель создает определенные трудности в выполнении диагностики степени развития корней, измерения их длины. Поэтому для отбора растений по корневым системам целесообразнее выращивать их бессубстратно, закрепляя растения в растворах или применяя аэропонику. Известный в литературе прием крепления пшеницы при бессубстратном методе выращивания в посевных рейках хорошо зарекомендовал себя при конвейерном культивировании растений [(Гительзон и др., 1975]. При проведении отбора в случае использования этого метода крепления злаков сложно производить измерения длины корней каждого растения вследствие имеющегося изгиба корней в разные стороны и их сильного переплетения между собой. В другом разработанном способе крепления растений с использованием кюветы [Sawger, 1965] корни каждого растения отделены друг от друга. Но применение в кювете фильтровальной бумаги или ткани, служащих для поддержки семени и для подачи раствора к проростку, делает кювету непригодной для длительного выращивания растений вследствие засоления материала, разрушения его микроорганизмами и т.п. Исходя из требований практической селекции, устройство для крепления растений злаков (в управляемых условиях) должно позволять: 1) быстро производить раскладку наклюнувшихся семян; 2) легко наблюдать за развитием корневых систем растений; 3) оперативно измерять длину корней каждого растения; 4) извлекать в любой фазе развития любое растение без повреждения его корней. Один из путей решения задачи состоит в создании кюветы с корневой зоной, разделенной на отсеки, в каждом из которых будет находиться одно растение, а также в применении легко выдвигающейся перегородки, отделяющей надземную часть растения от корней. Конструктивно это воплощено в разработанной нами [Полонский, Гаас, 1984а] кювете для крепления злаков. Кювета изготовлена из инертного материала (полистирол, винипласт) и состоит из 5-10 соединенных пеналов, имеющих общие боковые стенки (рис. 25). В каждый пенал помещается одно растение. Кювета полностью открыта с передней стороны и снизу, а сверху прикрыта съемной задвижкой, которая отделяет корни от надземных частей растений. При установке нескольких кювет вплотную друг к другу в сплошной ряд передние стороны кювет закрываются, и корни каждого растения оказываются полностью изолированными о других. Ряд кювет помещается в ванну, соединенную с баком с питательным раствором. На имеющуюся в верхней части кюветы полочку раскладываются наклюнувшиеся семена злаков. После этого весь ряд кювет в ванне закрывается сверху крышкой или полиэтиленовой пленкой с целью создания влажной среды, необходимой для вытягивания проростков и выхода зародышевых корней в нижнюю часть кюветы, в щель между полочкой и задвижкой. Ширина образующейся щели в кювете немного меньше размеров семян злаков, что предотвращает проваливание зерновок на дно ванны. Через 2-3 дня крышка снимается, и начинается выращивание растений на свету при постоянном нахождении корней в питательном растворе с применением барботажа. Регулярное наблюдение за развитием корней, а также измерение их длины проводится через открытую переднюю стенку кюветы, для этого достаточно вынуть кювету из ванны. На задней стенке кюветы нанесены деления через 1 см, что облегчает процесс измерения длины корней. Любое растение без повреждения корней можно легко извлечь из кюветы, выдвинув задвижку.
Разработанная кювета была апробирована при выращивании в ней двух контрастных сортов пшеницы Саратовской 29 и Снаббе. В экспериментах растения культивировали как в растворе Кнопа, так и в условиях модельной прогрессирующей засухи, создаваемой с помощью растворов сорбита возрастающей концентрации (методика была описана выше).
О некоторых резервах повышения продуктивности в контролируемых условиях
Для Восточной Сибири обычно характерна весенне-летняя почвенная засуха. По мнению П.Л. Гончарова [1987], для условий такого типа засухи яровые злаки должны иметь растянутый период от всходов до колошения, когда сказывается недостаток влаги, при этом они должны формировать мощную корневую систему. Примерами таких сортов могут быть яровая пшеница Мильтурум 553 и яровой ячмень Агул. Сорта, возделываемые в засушливых условиях, должны отличаться высокой засухоустойчивостью и жаростойкостью, иметь хорошо развитую зародышевую корневую систему [Цыганков, 2001]. В литературе показано, что морфологической особенностью яровых пшениц, устойчивых к весенней засухе в условиях Восточной Сибири, является более мощная и глубоко проникающая корневая система, причем ее развитие идет (по сравнению с формами нестойкими к стрессору) усиленно с первых дней роста растения [Писарев, 1964]. В.П. Кузьмин [1965] продемонстрировал высокую положительную связь между числом зародышевых корней и величиной урожайности пшеницы, возделываемой при дефиците влаги в почве. Установлено, что на первых этапах развития пшеницы показателем приспособленности сорта к перенесению весенне-летней засухи может служить высокое отношение суммарной длины корней к длине ростка [Ведров, 1971], выявлена четкая зависимость между мощностью и количеством корешков и засухоустойчивостью [Гончаров, 1987]. По мнению Н.А. Сурина и Н.Е. Ляховой [1993], наиболее целесообразной структурой первичных корней ячменя, возделываемого в районах Восточной Сибири, является такая, когда поверхностное расположение основной массы корней сочетается с глубоким проникновением отдельных корней в нижние, более увлажненные слои почвы. Итак, для того, чтобы растения были в меньшей степени подвержены действию сибирского типа засухи, они должны обладать рядом признаков: во-первых, это пониженная величина водного потенциала прорастающих зерновок и зародышевых корней, необходимая для обеспечения появления всходов при недостатке влаги в почве; во-вторых, это высокие темпы роста зародышевых корней, обеспечивающие возможность растению следовать за уходящим слоем влаги и использовать ее из более глубоких слоев почвы. Следовательно, засухоустойчивость сорта может зависеть от количества корней, величины их водного потенциала и скорости роста. Хотя в последние годы появились новые подходы в изучении формы и функции корней, позволяющие осуществить визуализацию in situ, в частности, метод построения магнитно-резонансных изображений [MacFall, Johnson, 1997], все же наиболее пригодной средой для отбора по признакам первичных корней является водная культура с последующей высадкой отобранных растений в грунт. Естественно, полевые и вегетационно-полевые методы диагностики сортов и отдельных растений на засухоустойчивость являются наиболее надежными. Однако, непостоянство погодных условий в отдельные годы затрудняет проведение отборов и значительно удлиняет селекционный процесс. Поэтому с целью ускорения сроков выведения засухоустойчивых сортов и повышения эффективности селекционной работы на данный признак используются лабораторные методы оценки.
По имеющимся сведениям в литературе, мощность развития зародышевой корневой системы злаков оценивают прямым способом - путем проращивания семян в постоянно увлажняемых рулонах из фильтровальной бумаги [Ведров, 1984] либо косвенно - посредством измерения интенсивности гуттации проростков, находящихся во влажной почве [Реппо, 19796]. Однако, и в том, и другом случае не учитывается величина водного потенциала корней, а также их ростовая реакция на дефицит влаги в корнеобитаемой среде. Это происходит в силу того, что в создаваемых указанными авторами условиях корни постоянно находятся в благоприятных по водообеспеченности условиях. Сорта, имеющие способность к формированию пониженного водного потенциала корней, могут хорошо проявить себя лишь при дефиците влаги в корнеобитаемой среде [Полонский, 1981].
Э.А. Хард [Hurd, 1968] определял длину корней у семи сортов пшеницы, которые выращивались в вегетационных сосудах при двух уровнях влажности почвы. Корни более продуктивного в условиях засухи сорта Тетчер проникали быстрее в сухой почве, чем корни других сортов пшеницы. В работе других авторов [Волкова, Моткалюк, 1976] в растворах сахарозы с осмотическим давлением 0,5 МПа у проростков измерялась суммарная длина корней и максимальная длина корня. Указанные подходы к оценке сортов на засухоустойчивость по скорости роста зародышевых корней учитывают водный потенциал последних, но не совсем удобны из-за большой трудоемкости, громоздкости оборудования и сравнительно высоких материальных затрат.
