Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературных источников. агробиологические особенности и селекция стевии stevia rebaudiana (bertoni) hemsley при интродукции 9
1.1 Основные аспекты интродукции растений 9
1.2 Химический состав и использование стевии при производстве функциональных продуктов 14
1.3 Морфо-биологические особенности культуры 20
1.4 Селекция стевии 27
2. Условия, материал и методика исследования 31
2.1 Почвенно-климатические условия места проведения исследований 31
2.2 Материал и методика исследований 39
3 Эколого-биологические особенности новых сортов стевии при введении в культуру в центральном Предкавказье 46
3.1 Особенности ритма, роста и развития растений новых сортов стевии в онтогенезе 46
3.2 Формирование архитектоники растений новых сортов 51
3.3 Продуктивность листостебельной массы растений новых сортов 59
3.3.1 Продуктивность зеленой вегетативной массы 59
3.3.2 Продуктивность зеленой листовой массы 63
3.3.3 Продуктивность зеленой стеблевой массы 66
3.3.4 Продуктивность сухой вегетативной массы 68
3.3.5 Продуктивность сухой листовой массы 71
3.3.6 Продуктивность сухой стеблевой массы 73
3.4 Урожайность зеленой листостебельной массы новых сортов стевии з3.4.1 Урожайность зеленой вегетативной массы 76
3.4.2 Урожайность зеленой стеблевой массы 79
3.4.3 Урожайность зеленой листовой массы 80
3.4.4 Влияние элементов архитектоники растений стевии на формирование урожайности зеленой листовой массы 83
3.5 Выход товарной продукции новых сортов стевии и ее качество 86
3.5.1 Выход товарной продукции и ее качество 86
3.5.2 Влияние элементов архитектоники растений стевии на формирование урожайности сухой листовой массы 98
4. Адаптивные свойства новых сортов стевии 101
4.1 Адаптивный потенциал формирования урожайности листостебельной массы 101
4.2 Адаптивный характер корреляционных связей, определяющих продуктивность растения стевии
5 Особенности антэкологии новых сортов стевии 116
6 Особенности селекционного процесса при введении стевии в культуру 129
Заключение 134
Рекомендации для практической селекции 139
Список использованной литературы
- Морфо-биологические особенности культуры
- Формирование архитектоники растений новых сортов
- Урожайность зеленой листостебельной массы новых сортов стевии
- Адаптивный характер корреляционных связей, определяющих продуктивность растения стевии
Морфо-биологические особенности культуры
Ценность стевии заключается в том, что она является продуцентом естественного подсластителя. В листьях стевии содержатся сладкие дитерпеновые глюкозиды, которые в организме расщепляются без инсулина и стимулируют его секрецию. Натуральный сахарозаменитель для диабетиков, содержащий сладкие гликозиды стевии не оказывает сахаропонижающего эффекта у здоровых людей [176].
Использование стевии парагвайскими индейцами насчитывает более, чем тысячелетнюю историю [156]. S.M. Bertoni [155] впервые дал научное описание этого растения и «открыл» его для «цивилизованного мира». Его работы получили широкий резонанс и возбудили интерес, как биологов, так и химиков. Одними из первых исследование химического состава и фармакологических свойств стевии провели немецкие ученые К. Dieterich [166], С. Wehmer [188], R. Kobert [170, 171], которые выделили сладкие гликозиды. С. Wehmer и R. Kobert назвали два основных гликозида эвпаторин и ребаудин и установили их основные химические свойства. В 1931 году французские химики М. Bridel и R. Lavieille [159, 160, 161] из водно-спиртового экстракта сухих листьев стевии выкристаллизовали вещество белого цвета , которое в 300 раз слаще сахара, и назвали его стевиозидом, при этом они указали на его соответствии ребаудину, описанному К. Dieterich [166].
Успешная интродукция стевии в Японию и другие страны возобновили интерес ученых к изучению химического состава стевии, в частности, детальному анализу комплекса дитерпеновых стевиозидов. Были выделены и установлены особенности химического строения ребаудиозидов А, В, С, D, Е [164, 185], стевиолбиозид и дулькозид А [172]. Наиболее сладким из этого комплекса является ребаудиазид А, который в 400-500 раз превосходит по сладости сахар [163, 183].
Степень сладости сладких гликозидов стевии сильно варьирует и зависит от размещения связей между молекулами агликона, а также от количества присоединенной к нему молекул глюкозы. Стевиозид имеет химическую формулу C38H60Oi8. Он представляет собой белый гигроскопичный порошок, хорошо растворимый в воде, с температурой плавления 196-198С, в 110-270 раз слаще сахара. Его содержание в сухих листьях стевии может составлять 4,6-8,2% [173,180].
Американские ученые Е. Mosetting и W.R.Ness в 1955 году [175] установили пространственную структуру стевиозида. При ферментативном гидролизе стевиозид разлагается до ЗМ Д-глюкозы и 1М безвкусного агликона стевиол [88,89,179]. При кислотном гидролизе стевиозида образуется ЗМ глюкозы и агликон изостевиол [80]. Изостевиол, как и стевиол, безвкусен и имеет мелкокристаллическую структуру, температура плавления его составляет 226-227С [178].
В листьях стевии обнаружены сопутствующие дитерпеновым гликозидам флавоноиды: кверцетин, авикулярин, гваяверин, кверцетрин; производные коричной кислоты: кофейная, хлорогеновая, производные кумарина: скополетин, умбеллиферон [42, 63].
Содержание флавоноидов составляет 353 мг/ЮОг воздушно - сухих листьев [63]. Кроме того, в соцветиях стевии содержится эфирное масло приятного специфического запаха. Его содержание может достигать 0,6 % и более [129].
Установлено, что побеги и листья стевии содержат сбалансированный состав ценных незаменимых аминокислот [113, 116, 145].
Наиболее высокое содержание свободных аминокислот характерино для верхних листьев [116]. По мнению исследователя это определяется интенсивным синтезом белков в молодых органах. В листьях и стеблях стевии отмечено высокое содержание аспартата, серина, глютамата, которые являются исходными в соответствующих группах аминокислот. По мнению исследователя высокие содержания в листьях и стеблях стевии промина, имеющего важное физиологическое значение, положительно связано с адаптивным потенциалом. Отселектированный для возделывания в неблагоприятных условиях сорт Рамонская сластена проявляет преимущество по содержанию в верхних листьях промина и глицина по сравнению с дикой формой и тетраплоидами, но уступает им по содержанию серина. В целом, количественное соотношение аминокислот у стевии генотипически детерминировано. Окультуривание и полиплоидизация стевии приводят к изменению аминокислотного состава.
Установлена антиоксидантная активность стевии, которая обусловлена присутствием в листьях этого растения хлогеновой кислоты и стевиозида. Антиоксидантная активность стевиозида в сочетании с другими его полезными свойствами: низкая калорийность, способность стимулировать выделения клетками поджелудочной железы инсулина, антивирусная, антибактериальная и антигрибковая активность; делает его весьма перспективным для использования в виде подсластителя и биологической добавки в лечебно-профилактических продуктах [70, 127]. Содержание в листьях стевии хлоргеновой кислоты - вещества полифенольной природы, весьма значительно (0,100-0,152 мМ/г). Следователи отмечают ее протекторное действие при перекисном окислении липидов и тормозящий эффект на синтез в печени глюкозо-6-фосфотазу, что обуславливает гипогликомическое действие. По антиоксидантной активности (АО А) продукты из стевии превышают мед и хмель. Большое значение имеет возможность селекционного улучшения содерждания у полиплоидных форм стевии хлоргеновой кислоты и других антиоксидантов [113].
Формирование архитектоники растений новых сортов
Полевые опыты проводили в 2008-2011 гг. в учебно-опытном хозяйстве Ставропольского государственного аграрного университета, землепользование которой расположено в 12 км от г. Ставрополя на Ставропольской возвышенности в Центральной зоне Ставропольского края. Максимальная отметка Ставропольской возвышенности достигает 600 м над уровнем моря. Рельеф имеет волнистый характер, а в юго-восточной части представлен широкими балками, местами со значительными оползневыми наслоениями.
Землепользование учебно-опытного хозяйства СтГАУ представляет собой равнину в северной и северо-западной части со значительными понижениями к юго-востоку от оз. Вшивое. В южной части местность наиболее возвышенная и сильно пересечена балками и оврагами. Большое количество балок чередуются с довольно высокими увалами, имеющими в ряде мест крутые склоны, которые используются в качестве сенокосов и пастбищ. В верховьях балок в ряде мест на склонах имеются родники.
Учебно-опытное хозяйство расположено на высоко эрозионноопасной глубокорасчлененной равнине. Высокие отметки и степень расчлененности поверхности убывает с юга на север. Пологие и слабопокатые склоны крутизной до 5С благоприятны для механизированной обработки, ухода за посевами, посева, уборки урожая и отведены под пашню. В целом рельеф местности хозяйства позволяет организовывать ведение земледелия на высоком агротехническом уровне.
Учебное хозяйство расположено в зоне ковыльно-типчаково-разнотравяной степи предгорно-степного пояса и приуроченного к центральной части Ставропольской возвышенности с сильнопересеченным рельефом.
Целинная растительность при интенсивном ведении хозяйства сохранилось лишь на участках непригодных к распашке. Естественная растительность представлена луговыми и настоящими степями. Лугово-степная растительность встречается отдельными участками по всей территории, приурочена к более увлажненным местам. Леса занимают небольшие площади в южной части хозяйства и расположены на склонах и балках.
На пашне распространены сорные растения. Из сорняков наиболее широко распространены: осот полевой, вьюнок полевой, молочай. Амброзия полыннолистная, сурепка, паслен колючий, гулявник струйчатый. Степень засоренности полей колеблется от слабой до средней.
Почвенный покров опытного участка представлен черноземом выщелоченным глубокомицелярно - карбонатным, среднесуглинистым, среднемощным, тяжелосуглинистым. Материнскими породами являются бурые тяжелые лессовидные суглинки. Эти почвы по степени выщелоченности, гумусированности, мощности гумусового горизонта, свойств почвообразующей породы разделяются на слабовыщелоченные, средневыщелоченные и сильновыщелоченные. Степень выщелоченности зависит от свойств почвообразующей породы. Она меньше на карбонатных, чем на некарбонатных породах и определяется величиной разрыва между гумусовым и карбонатным горизонтами (слабовыщелоченные менее 20 см, средневыщелоченные - 20-40 см и сильновыщелоченные - более 40см).
Выщелоченные глубокомицелярно-карбонатные черноземы отличаются от типичных мицелярно - карбонатных черноземов пониженной линией вскипания. Они сформировались в местах с более благоприятными условиями увлажнения почвенного профиля.
Выщелоченные черноземы имеют мощность горизонтов А+В до 120 см. у слабовыщелоченных черноземов линия вскипания от НС1 находится на глубине 35 см в пределах горизонта А, у средневыщелоченных она опускается до горизонта ВС, а у сильновыщелоченных в горизонте С на глубине 160-180 см. Выделения карбонатов на этой глубине представлены в форме прожилок и белоглазки.
Мощность гумусового горизонта А колеблется от 27 до 45 см, а мощность почвенного профиля от поверхности почвы до горизонта ВС включительно от 80 до 160 см.
Выщелоченные глубокомицелярно - карбонатные черноземы обладают высоким плодородием. В них содержится гумуса 5,5-6,7%. Падение гумуса с глубиной постепенное. Содержание общего азота 0,29-0,45%. Большая его часть находится в составе перегнойных кислот, белковых соединений растительных и животных остатков. Минеральные формы в основном представлены в основном нитратным азотом.
Содержание общего фосфора 0,10-0,12%. В полуметровом слое его запасы составляют 12-14 т/га. Эти почвы богаты калием. Валовое содержание калия в слое 0-30 см 2%, а его запасы в этом слое достигают 90 т/га. Калий находится в составе калийсодержащих минералов, в адсорбированном состоянии (обменный калий) и в виде простых водорастворимых солей.
Выщелоченные черноземы обладают высокой емкостью поглощения. Сумма обменных катионов Са и Mg в пахотном слое 42,6 мг.-экв. На 100 г почвы. На долю кальция приходится более 70%. Так как эти почвы достаточно промыты, в водной вытяжке отсутствуют вредные для растений ионы С03 и О, а также поглощенный натрий. Выщелоченные черноземы имеются довольно высокий уровень обеспеченности микроэлементами. Реакция почвенного раствора слабокислая.
Гумусовый горизонт выщелоченных черноземов имеет благоприятные водно-физические свойства. Объемная масса 1,0-1,19 г/см , удельная масса -2,34-2,45 г/см . Высокая скважистость 53-54% обеспечивает одновременно высокую влагоемкость и скважистость.
Почвы опытной станции испытывают мощную антропогенную нагрузку и претерпевают существенные морфологические изменения, изменяют видовые, родовые названия и даже подтип. В последние годы активизируются процессы заболачивания и слитизации. Пахотный горизонт
имеет, как правило, разрушенную структуру. Ценные зернистые и комковатые фракции практически отсутствуют или находятся в минимуме. Подпахотный горизонт сохраняет строение целинных вариантов.
В целом же можно считать, что выщелоченные глубокомицелярно -карбонатные черноземы сохраняют довольно высокий потенциал плодородия и способны при надлежащей агротехнике обеспечивать получение высокого урожая сельскохозяйственных культур [6, 142].
Почва опытного участка имеет слабокислую реакцию почвенного раствора по водной вытяжке (рН = 6,7), по содержанию гумуса она относится к среднегумусной (5,63% (по Тюрину), обеспеченность азотом по сумме нитратного и аммиачного азота средняя (N-N03= 15,18 мг/кг; N-NH4= 20,05 мг/кг), подвижным фосфором - средняя (Р205(по Чирикову) = 78,50 мг/кг), а калием - высокая (К20(по Масловой) = 245,00 мг/кг). Почвы опытной станции, в целом, являются благоприятными для выращивания стевии.
Согласно агроклиматическому районированию Ставропольского края, опытная станция расположена в зоне неустойчивого увлажнения, подзоне умеренного увлажнения, выщелоченных черноземов [112]. Климат теплый, умеренно влажный, отличается континентальностью. Гидротермический коэффициент (ГТК) равен 1,1-1,3, сумма эффективных температур достигает 3000-3200С. Безморозный период длится 180-190 дней. Среднегодовая сумма осадков равна 536 мм. За период с температурой выше 10С выпадает 300-400 мм осадков. Преобладающее количество осадков выпадает летом, причем в отдельные периоды осадки выпадают в виде сильных ливней, иногда с градом (рисунок 1).
Урожайность зеленой листостебельной массы новых сортов стевии
В условиях 2010 г. сорта Услада (11,8 г) и Ставропольская сластена (10,8г) сформировали продуктивность сухой листовой массы на уровне предыдущего года и характеризовались близкими значениями продуктивности, но только сорт Услада превысил (Р 0,05) превысил стандарт Рамонская сластена (9,9 г), НСР05 =1,1 г. Сорт Марфа по сравнению с 2009 г. увеличил продуктивность сухой листовой массы на 41,2%, что составило 13,1 г, там самым он существенно превысил все изучаемые сорта Наименьшая продуктивность сухой листовой массы была у сорта София (5,5 г), который уступил как стандарту, так и другим сортам.
В 2011 г. самую высокую продуктивность сухой листовой массы сформировал сорт Марфа (37,5 г), он на существенную величину превысил стандарт Рамонская сластена (31,8 г) и другие сорта, НСР05= 0,7 г. Большей продуктивностью сухой листовой массы, по сравнению со стандартом Рамонская сластена, отличались сорта Услада (32,5 г) и София (32,5 г). Наименьшая величина показателя была у сорта Ставропольская сластена (28,6 г), который уступил не только стандарту, но и всем остальным сортам.
В среднем за годы исследований различий между сортами были невелики. При этом большей продуктивностью сухой листовой массы отличались сорта Марфа (19,4 г), Услада (17,3 г) и Ставропольская сластена (16,5 г), которые соответственно на 23,7; 16,9 и 11,5% превысили стандарт Рамонская сластена (14,8 г). Сорт София (14,0 г) уступил стандарту на 5,7%
Продуктивность сухой стеблевой массы. Содержание стеблей в сухой вегетативной массе растения у новых сортов стевии отличалось в годы опытов меньшей стабильностью, чем листьев, и превышало их по массе. Рейтинг сортов, сложившийся в годы опытов по продуктивности сухой листовой массы, в основном, сохранился и по продуктивности сухой стеблевой массы, хотя различия между сортами были выражены слабее (рисунок 13, приложение 13).
НСРоз составила: 1,3 (2008г.), 0,7 (2009 г.), 1,5 (2010 г.), 3,3 г (2011 г.) В 2008 г. по продуктивности сухой стеблевой массы стандарт Рамонская сластена (9,9 г) превысили сорта Ставропольская сластена на 7,1 и Услада на 4,4 г, различия были существенны, НСР05=1,Зг. Сорт София (11,0г) был на уровне стандарта. При этом различия между сортами Услада и Ставропольская сластена (0,5 г) были также существенны, а сорт София уступил (Р 0,05) как сорту Ставропольская сластена (-6,0 г), так и сорту Услада (-3,3 г).
В 2009 г., когда все сорта отличались самой низкой продуктивностью сухой стеблевой массы за четыре года исследований, сорта Услада (7,1 г), Ставропольская сластена (6,1 г) и Марфа (5,2 г) на существенную величину превысили стандарт Рамонская сластена (3,3 г), а также сорт София (3,5 г), НСР05 = 0,7 г.
В условиях 2010 г. все сорта значительно увеличили продуктивность сухой стеблевой массы, по сравнению с предыдущим годом, что объясняется более активным линейным ростом и ветвлением растений. Продуктивность сухой стеблевой массы у стандарта Рамонская сластена составила 9,6 г, НСР05=1,5 г. Различия между сортами Марфа (15,4 г), Услада (11,8 г) и Ставропольская сластена (11,6 г), были существенными, но все они превзошли стандарт Рамонскую сластену и сорт София (7,3 г), который уступил стандарту.
Наибольшую продуктивность сухих стеблей сорта сформировали в благоприятных условиях онтогенеза 2011 г., но по сравнению с предыдущими годами исследований рейтинг сортов изменился.
Наибольшую продуктивность сухой стеблевой массы сформировал новый сорт Марфа (52,8 г), который был на уровне стандарта Рамонская сластена (50,6 г). Но они на существенную величину превысили, как тетраплоидные сорта Услада (38,8 г) и София (46,1 г), так и диплоидный сорт Ставропольская сластена (34,3 г), который уступил всем сорта, НСР05 =3,3 г. В среднем за годы исследований новый сорт Марфа (24,5 г) сформировал наибольшую массу сухих стеблей и значительно превосходил, как диплоидные сорта стандарт Рамонская сластена (18,4 г) и Ставропольская сластена (17,3 г), так и тетраплоидные сорта Услада (18,0 г) и София (17,0 г). Таким образом, новые сорта стевии в условиях Центрального Предкавказья обладают высоким потенциалом продуктивности листостебельной массы, реализация которого лимитируется недостаточной влагообеспеченностью растений в период формирования вегетативных органов на II этапе органогенеза. Продуктивность зеленой и сухой листостебельной массы детерминируется генотипом сорта, но при этом реализация этих признаков в разных условиях онтогенеза зависит от специфического генотипх ередового взаимодействия, которое определяется уровнем плоидности.
Адаптивный характер корреляционных связей, определяющих продуктивность растения стевии
Антэкология (от греч-цветок...и экология) - один из разделов биоэкологии, изучающий вопросы цветения и опыления растений с учетом влияния на эти процессы комплекса факторов. Термин был предложен в 1904 Робертсоном. В современную антэкологию включены три направления: экология цветка, экология цветения и экология опыления. Первое направление изучает структуру цветка в связи с адаптацией к опылению, но с учетом реальной экологической обстановки. Второе - исследует влияние различных природных факторов (свет, температура, влажность воздуха и пр.) на реализацию функции цветка. Третье - вскрывает зависимость опыления не только от непосредственных агентов (ветер, вода, животные), но и от экологических факторов, действующих косвенно, при этом способствующих или препятствующих процессу опыления.
Антэкология дает много важной и практически значимой информации о причинах разнообразия форм живой природы и формирования адаптивности в условиях экологии. Так, интродукция видов цветковых растений эффективна только с учетом особенностей их цветения и опыления в новых условиях возделывания. Научные знания о цветении и опылении растений обуславливают выбор методов селекции и семеноводства.
Тропическое растение стевия или двулистник сладкий на родине произрастает как многолетнее травянистое растение с ежегодно отмирающей наземной частью, продолжительность жизни которого достигает 8-11 лет. Сочетая половое и вегетативное размножение, она образует многочисленные куртины. В соответвии с общепринятой системой вид Stevia rebaudiana Bertoni относится к отделу Magnoliophyta, классу Magnoliopsida, подклассу Asteridae, порядку Asterales, семейству Asteracae, роду Stevia Cav. [15, 138].
При наступлении отрицательных температур растения стевии погибают, поэтому в странах умеренного климата ее возделывают по однолетнему циклу с высадкой в поле рассады, выращенной в теплице. Наибольшее распространение получил способ получения рассады в теплице укоренением зеленых апикальных черенков, которые заготавливают с маточных растений [61, 146].
Допущенные к использованию отечественные сорта стевии являются клонами, поэтому их сортовая идентичность поддерживается только при вегетативном размножении. Вместе с тем, прогресс селекционной работы при интродукции стевии определяется переходом к семенному воспроизводству. Семенное размножение обеспечивает перекомбинацию генов, которые в сочетании с усилением при смене экониши спонтанного мутогенеза и рекомбинегеза детерминируют формирование генотипичной изменчивости, следовательно, обеспечивает эффективность стабилизирующего отбора и выделение в процессе селекции адаптивных в новой эконише генотипов [75].
При введении в культуру новых видов растений, происходящих из географически отдаленных регионов, могут возникать сложности с получением семян. Если индродуценты происходят из районов с коротким световым днем, то в умеренных широтах в условиях длинного дня в летний период у них задерживается переход генеративной фазе развития. Фаза цветения наступает в соответствии с естественным сокращением продолжительности светового дня в осенний период, и завязавшиеся при отрицательной температуре семена погибают. Общее соцветие стевии представлено тирсом с элементарными небольшими корзинками. Корзинки содержат пять цветков в общей обертке, цветоложе не выражено. Длина соцветий в среднем составляет 2,5-4 мм.
Цветки у стевии Stevia rebaudiana Bertoni обоеполые, венчик колоколообразный, трубчатый, сростнолепестной. Андроцей состоит из пяти тычинок, пыльники срастаются в трубку, окружающую столбик пестика. У цветущих цветков крупные двухлопастные рыльца пестика выступают из цветка. После оплодотворения рыльце засыхает, а затем и лепестки засыхают (рисунок 21,22).
Цветущая ветвь стевии сорта Рамонская сластена: у отдельных цветков четко выступающие двухлопастные рыльца, Ставрополь Сладкие выделения, которые продуцируются многочисленными железистыми волосками, расположенными на тычиночных нитях и столбике пестика, заполняют трубчатую часть венчика. Пыльники вскрываются еще на стадии бутона, протерандрия, и в жидкости, заполняющей нижнюю полость трубки венчика, наблюдаются пыльцевые зерна с толстой шиповатой экзиной. Возможно, что сладкие выделения железистых волосков не только привлекают насекомых, переносчиков пыльцы, но и обладают протекторными свойствами обуславливающими поддержание жизнеспособности пыльцы в период цветения цветка. Небольшие размеры цветка, его длина не превышает 0,8 см, делают доступными для насекомых сладкие выделения трубке венчика. Цветущие растения стевии активно посещают насекомые: бабочки, мухи семейства журчалки, которых привлекают сладкие выделения цветка (рисунок 23). При питании они могут переносить находящиеся в них пыльцевые зерна. Описанные особенности строения и цветения цветка позволяют считать стевию энтомофильным растением. Вместе с тем, остается еще много неизученных вопросов, касающихся механизма опыления стевии