Введение к работе
Актуальность темы. Сельскохозяйственное производство в засушливых регионах нашей страны требует сорта и гибриды зерновых культур, обладающие высокой пластичностью, продуктивностью и засухоустойчивостью, обеспечивающие стабильное по годам получение зерна. Эффективная селекционная работа в этом направлении возможна на основе знания и использования физиологических механизмов, обеспечивающих растению устойчивость к неблагоприятным факторам внешней среды. Для ускорения селекционного процесса необходимы надежные методы оценки образцов по конкретным признакам устойчивости к абиотическим факторам. Очень важно отобрать для каждой почвенно-климатической зоны свой набор методов, определяющих ограниченное число признаков, гарантирующих достаточно точную оценку засухоустойчивости растений. Применение в селекции пшеницы, ячменя и сорго достижений физиологии растений возможно лишь на основе всестороннего изучения закономерностей роста и развития, протекания физиологических процессов, особенностей метаболизма растений в естественных и искусственных условиях. Для ускорения селекционного процесса назрела острая необходимость в проведении цикла исследований по частной физиологии озимой пшеницы, ярового ячменя и сорго зернового.
Цель и задачи исследований. Целью исследований является комплексное изучение механизмов адаптации и показателей устойчивости зерновых культур в естественных и искусственных условиях, связанных с высокой продуктивностью и засухоустойчивостью в условиях недостаточной водообеспеченности.
В задачи исследований входило:
- оценка устойчивости озимой пшеницы, ярового ячменя и сорго зернового в начальный период развития к водному на растворах осмотика и температурному стрессам (термотестирование);
- изучение закономерностей прорастания семян озимой пшеницы, ярового ячменя и сорго зернового в условиях водного дефицита (раствор осмотика);
- установление изменчивости значений признаков растений озимой пшеницы, ярового ячменя и сорго в условиях водного и температурного стрессов;
- изучение параметров первичной корневой системы растений;
- определение особенностей развития проводящей системы стебля озимой пшеницы и сорго зернового в разные по условиям выращивания годы;
- изучение в условиях неустойчивого увлажнения формирования и функционирования фотосинтетического аппарата на разных этапах органогенеза;
- выявление изменчивости признаков ксероморфности сортов озимой пшеницы, ярового ячменя и сорго зернового;
- оценка засухоустойчивости и продуктивности сортов ярового ячменя на провокационном фоне «засушник»;
- изучение строения проводящей системы листа озимой пшеницы и сорго зернового;
- установление изменчивости сортов озимой пшеницы по устойчивости растений к полеганию;
- создание генетической коллекции сортов и линии ярового ячменя, обладающих высокой продуктивностью и устойчивостью к региональному типу засухи;
- создание каталога засухоустойчивых сортов и линий озимой пшеницы (твердой и мягкой) для включения их в селекционный процесс.
Научная новизна. Диссертация имеет направление научно обоснованной разработки, обеспечивающей решение важных задач по устойчивости зерновых культур к водному и температурному стрессам. Впервые проведено комплексное исследование механизмов устойчивости озимой пшеницы, ярового ячменя и сорго зернового к действию повышенных температур и к дефициту влаги в почве в разные фазы развития – семена, проростки и вегетирующие растения. Выделены адаптивные морфологические, анатомические и физиологические признаки разных по устойчивости образцов озимой пшеницы, ярового ячменя и сорго зернового. Использованы существующие традиционные методы исследований, некоторые из них модифицированы нами применительно к поставленным задачам. Разработан метод оценки влияния условий выращивания на структурно-функциональные показатели проводящей системы колосонесущего междоузлия озимой пшеницы. Изучена проводящая система стебля сорго зернового.
С позиции системного подхода исследованы физиологические закономерности роста и развития озимой пшеницы, ярового ячменя и сорго зернового в условиях неустойчивого увлажнения. Разработана и реализована система комплексной оценки зерновых культур на засухоустойчивость с помощью лабораторных, вегетационных и полевых методов на разных этапах селекционного процесса. С участием автора создано два гибрида сорго и одиннадцать сортов озимой пшеницы и ярового ячменя, из которых четыре внесены в Государственный реестр селекционных достижений РФ, семь – проходят государственное сортоиспытание.
Теоретическая и практическая значимость. Разработана теория определения механизмов адаптации и устойчивости зерновых культур. На основе этой теории реализован комплекс исследований по выбору направлений селекции зерновых культур на засухоустойчивость. Обоснован научный подход к использованию методов оценки, определяющих величину устойчивости растений к водному и температурному стрессам. Разработан метод влияния условий выращивания растений на структурно-функциональные показатели проводящей системы колосонесущего междоузлия озимой твердой и мягкой пшеницы и установлена корреляционная связь этих значений с величиной их продуктивности.
Разработан метод оценки влияния стрессовых условий на рост сорго зернового и размеры проводящей системы стебля. Определены критерии оценки засухоустойчивости образцов по мощности развития этих систем.
Для успешной идентификации ценных генотипов ярового ячменя использовали провокационный фон («засушник»), в котором отбор проводился на выживание образцов в условиях водного и температурного стрессов.
Составлен каталог засухоустойчивых сортов ярового ячменя, озимой пшеницы и сорго зернового.
Составлен каталог холодоустойчивых образцов сорго зернового.
Все выделившиеся селекционные образцы использовались при создании новых сортов, устойчивых к стрессам (водному, температурному и низких положительных температур) в качестве родительских особей.
Основные положения, выносимые на защиту. На основании анализа состояние проблемы и разработок частной физиологии озимой пшеницы, ярового ячменя и сорго зернового с целью изучения механизмов адаптации и высокой продуктивности в условиях неустойчивого увлажнения на защиту выносятся следующие положения:
1. Основы частной физиологии пшеницы: засухоустойчивость в начальный период развития; параметры корневой системы; показатели водного режима растений и признаки ксероморфности сортов; строение и развитие проводящей системы листа и проводящей системы колосонесущего междоузлия; основные признаки устойчивости растений к полеганию.
2. Основы частной физиологии ячменя: устойчивость к перегреву и обезвоживанию в начальный период развития; морфо-физиологические критерии оценки величины продуктивности и засухоустойчивости генотипов; механизмы адаптации к водному и температурному стрессам вегетирующих растений по фазам роста; развитие корневой системы; фотосинтетическая продуктивность растений; устойчивость и продуктивность растений в условиях провокационного фона («засушник»); система оценки величины засухоустойчивости образцов.
3. Основы частной физиологии сорго: закономерности роста растений в условиях засухи, строение, формирование и функционирование фотосинтетического аппарата, корневой системы, водопроводящих структур; донорно-акцепторные отношения в растении, продукционный процесс; система оценки образцов по засухоустойчивости с помощью усовершенствованных и новых методов.
Реализация результатов исследований. Результаты настоящей работы, опубликованные в монографии, используются в научно-исследовательских целях учеными и аспирантами. Создано направление исследований по частной физиологии озимой мягкой пшеницы, озимой твердой пшеницы, ярового ячменя и сорго зернового. Составленные каталоги образцов с высокими значениями устойчивости к стрессам (водному, температурному, низким положительным температурам), переданы в научные подразделения ВНИИЗК и другие научно-исследовательские учреждения для включения в селекционный процесс и создания высокоустойчивых и высокопродуктивных сортов пшеницы, ячменя и сорго.
Апробация работы и публикация результатов исследований. Основные положения настоящей диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на региональных, Всероссийских и Международных научных и научно-практических конференциях, семинарах, симпозиумах по проблемам научного обеспечения сельского хозяйства в городах Зернограде (1999-2001 гг.), Ростове-на-Дону (1999, 2002 гг.), Саратове (2001 г.); на ежегодных заседаниях Всероссийского общества генетиков и селекционеров (1999-2009 гг.), заседаниях Ученого Совета ВНИИ зерновых культур им. И.Г. Калиненко (1999-2009 гг.). Всего автором в результате научных исследований в области селекции, физиологии, биологии, анатомии и электрофизики опубликовано 60 печатных работ, в том числе по теме диссертации 40, включая 9 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, монография и 6 авторских свидетельств на сорта и гибриды.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 362 страницах текста в компьютерном исполнении, включая 71 рисунок и 78 таблиц, 3 фотографии и 12 приложений (1 таблица, 11 рисунков). Работа состоит из введения, восьми глав, основных выводов и рекомендаций селекционной практике и производству, списка литературы, включающего 295 наименований, в том числе 59 на иностранных языках.
