Наукова новизна одержаних результатів. Досліджено динаміку зміни параметрів водного статусу картоплі протягом тривалої посухи. Виявлено специфічність реакції фотосинтетичного апарату, фітогормонального і амінокислотного пулів в листках сортів картоплі на недостатнє водозабезпечення. Зафіксовано сортові відмінності в реакції пігментного комплексу на водний дефіцит. Показано, що накопичення значної кількості абсцизової кислоти в умовах водного стресу корелює з розвитком посухостійкості і залежить від сортових особливостей картоплі. Встановлено, що акумуляція вмісту етилену в листках сортів картоплі різних екотипів суттєво залежить від рівня їх водозабезпечення. Вперше показано можливість регуляції складових адаптивного потенціалу, зокрема водного режиму, фотосинтетичної активності, фітогормонального комплексу в рослинах за допомогою полімерних регуляторів росту з пролонгованою фітогормональною дією в умовах обмеженого водозабезпечення. Вперше розроблено швидкий і ефективний спосіб оцінки стійкості сортів картоплі до посухи за коефіцієнтами водозатримання, водовідновлення та посухостійкості.

Практичне значення отриманих результатів. Результати роботи поглиблюють уявлення про механізми функціонування регуляторних систем водообміну, фотосинтезу, фітогормонального і амінокислотного пулів в листках сортів картоплі за дії посухи. Вперше розроблено спосіб оцінки стійкості сортів картоплі до посухи. Показано перспективність застосування полімерних регуляторів росту як антистресових засобів для підвищення стійкості, зменшення втрат врожаю і покращення якості бульб в умовах посухи. Отримані результати можуть бути використані в селекції для порівняльної оцінки сортів картоплі на посухостійкість.

Особистий внесок здобувача полягає в оволодінні методами досліджень, опрацюванні даних літератури, підготовці і проведенні експериментів, розробці планів досліджень, обгрунтуванні і статистичній обробці результатів, підготовці до друку наукових робіт. Матеріали дисертаційної роботи одержані автором самостійно або спільно з співробітниками Інституту фізіології рослин і генетики НАН України та Інституту картоплярства УААН. Доля особистої участі дисертанта складає 70%.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася в рамках бюджетних тем відділу фізіології водного режиму рослин Інституту фізіології рослин і генетики НАН України “Дослідження впливу водообміну на адаптивний потенціал рослин в посушливих умовах” (р/№ 0199U000044) та “Вивчення механізмів регуляції посухостійкості рослин в нестабільному середовищі” (р/№ 0101U000629).

Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати були представлені на міжнародній науково-практичній конференції “Землеробство ХХІ століття - проблеми та шляхи вирішення” (Київ-Чабани, 1999), міжнародній науковій конференції “Регуляція росту, развитку та продуктивності рослин” (Мінськ, 1999), IV Зїзді товариства фізіологів рослин Росії “Фізіологія рослин - наука III тисячоліття” (Москва, 1999), науково-практичному семінарі молодих вчених та спеціалістів “Вчимося господарювати” (Київ-Чабани, 1999), конференції молодих вчених-ботаніків України “Актуальні проблеми ботаніки та екології” (Чернігів, Седнів, 2000), VII молодіжній конференції ботатаніків в Санкт-Петербурзі (Санкт-Петербург, 2000), VII конференції молодих вчених “Проблеми фізіології рослин і генетики на рубежі третього тисячоліття” (Київ, 2000).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 15 робіт, з них 8 статей у провідних фахових виданнях та 7 тез доповідей.

Обєм та структура роботи. Дисертаційна робота викладена на 181 сторінках машинописного тексту й складається з вступу, огляду літератури, чотирьох розділів експериментальної частини, заключення, висновків та списку використаної літератури (налічує 298 найменувань). Робота містить 16 рисунків та 30 таблиць.

Основний зміст роботи

Аналітичний огляд літератури

Обєкти і методи досліджень

Об'єктами досліджень обрано ранньо - (Гарт, Бородянська рожева) та пізньостиглі (Темп, Древлянка) сорти картоплі (Solanum tuberosum L.). Рослини вирощували у вегетаційних посудинах Вагнера, місткістю 12 кг абсолютно сухого темно-сірого опідзоленого грунту, вологість якого підтримували ваговим методом на рівні 60% повної вологоємності (ПВ) та природного освітлення. Перед садінням в кожну посудину вносили аміачну селітру, гранульований суперфосфат та сульфат калію (з розрахунку N-100, P₂O₅-150 і К₂О-150 мг/кг грунту). Модельну посуху створювали одночасним припиненням поливу рослин (до 30% ПВ) впродовж 12 діб в критичну до нестачі вологи фазу бутонізації-цвітіння. Після припинення дії посухи вологість грунту в посудинах доводили до 60% ПВ (поновлення поливу). Обробку рослин проводили при температурі 27-29 єС та відносній вологості повітря 56-60% водними розчинами полістимуліну К (П-К), полістимуліну А-6 (П-А-6) в концентрації 10^-4М (22,6 мг/рослину за діючою речовиною) та емістимом С (Е-С) в концентрації 17 мкл/рослину, встановленої дослідним шляхом (Григорюк, 1996).

В листках рослин визначали: вміст води (висушуванням зразків до постійної маси при температурі +105?С), водний дефіцит (Литвинов, 1951), водний потенціал (Третьяков, 1990), біоелектричну активність (Стадник, Боберский, 1976), інтенсивність фотосинтезу, фотодихання, дихання і продиховий опір (за допомогою інфрачервоного газоаналізатора ОА-5501) (Гуляев, 1983), вміст хлорофілів і каротиноїдів (Починок, 1976), концентрацію зеатину, зеатинрибозиду, індолілоцтової та абсцизової кислот методом тонкошарової хроматографії з використанням сканувального спектроденситометра Camag TLC Scanner ІІ (Швейцарія) (Савінський, 1991). Етилен виділяли газохроматографічним методом (Kurchii, 2000). Амінокислотний пул і біохімічні параметри якості бульб визначали за допомогою інфрачервоного аналізатора моделі 4500 згідно “Програмного комплексу ИКС IAT INTERGROTECH, NEWISI, 1990“.

Продуктивність і врожай сортів картоплі встановлювали при 5-10-кратному повторенні. Одержаний матеріал оброблений статистично (Молостов, 1965).

Результати та їх обговорення

Встановлено, що тривала посуха індукувала суттєвіше збільшення водного дефіциту (ВД) в листках слабостійких до посухи сортів картоплі. Так, на 12 добу посухи в листках посухостійких сортів Гарт і Темп ВД зростав в 3,7 та 4,2 рази, а в слабостійких - Бородянська рожева і Древлянка в 4,4 та 4,8 рази (рис.1). При цьому слабостійкі сорти картоплі інтенсивніше втрачали воду, внаслідок чого оводненість (ОВ) їх листків знижувалась порівняно з контролем на 32,3 та 36,2%, тоді як в посухостійких - на 21,5 та 24,6%.

ВД рослин визначається вмістом води і її енергетичним статусом, вираженим як загальний водний потенціал (ВП), який в рослинних тканинах становить -0,2…-1,3 мПа (Barr, 1968, Slatyer, 1967). За жорсткого дефіциту вологи ВП може знижуватися до -1,7 мПа (Григорюк, 1999). Нами показано, що в умовах посухи ВП в листках картоплі зменшувався. Зокрема, слабостійкі сорти відзначалися ширшою амплітудою реакції на посуху за цим параметром. Так, за умов зневоднення (12 доба посухи) ВП у посухостійких сортів Гарт і Темп зменшувався в 2,7 та 2,8 рази, а в слабостійких - Бородянська рожева і Древлянка - в 2,8 та 2,9 рази.

Виявлено, що зростання ВД зумовило значне підвищення коефіцієнту водозатримання (Квз) в листках посухостійких сортів картоплі, ніж у слабостійких. При цьому коефіцієнт водовідновлення (Квв) зменшувався впродовж 12-добової посухи суттєвіше в слабостійких до посухи сортів, тоді як обробка рослин регуляторами росту сприяла підвищенню його величини до контролю. Слід зазначити, що за оптимального водозабезпечення Квз в стійких до посухи сортів був вищий порівняно зі слабостійкими. Нестача вологи зумовила незначне зниження Квз на початку водного стресу. За подальшого зневоднення водозатримувальна здатність клітин зростала у всіх сортів, про що свідчить підвищення Квз із наростанням ВД. Це, очевидно, є наслідком адаптації рослин до жорстких умов вирощування. Однак амплітуда реакції листків до дефіциту вологи в слабостійких до посухи сортів була ширшою порівняно зі стійкими. Зафіксовано, що підвищення Квз супроводжувалось суттєвим зменшенням Квв у листках сортів картоплі протягом посухи. Значніше підвищення водозатримувальної здатності та ступеня відновлення клітин у листках стійких до посухи сортів картоплі зумовило зростання їх коефіцієнту посухостійкості (Кпс), внаслідок чого скорочувалися втрати води. Зокрема, в екстремальних умовах водозабезпечення Кпс у посухостійких сортів зменшувався на 26,2 (Гарт) і 28,4% (Темп), а в слабостійких - на 56,0 (Бородянська рожева) та 58,6% (Древлянка) до контролю (рис. 2).

На підставі отриманих результатів нами розроблено спосіб оцінки стійкості сортів картоплі до посухи за коефіцієнтами:

водозатримання

водовідновлення

посухостійкості

сортів картоплі

Квз і Квв пов'язані з фізіологічними параметрами водного режиму рослин наступними залежностями:

Збільшення Квз індукує зростання ВД і вмісту води в листках картоплі. Кореляція між ВД, вмістом води і Квв має складний характер, залежить від співвідношення Квв та Квз. Фукціональний зв'язок запропонованих коефіціентів від параметрів водообміну визначає їх залежність від фази розвитку, сортових особливостей, умов вирощування і дозволяє інтегрально оцінювати водний статус сортів картоплі.

Обробка рослин регуляторами росту зменшувала втрати води в листках картоплі. Зокрема, на 12 добу дії водного стресу у рослин, оброблених регуляторами росту ВД знижувався порівняно з варіантом “посуха” в стійких до посухи сортів картоплі на 2-9, а в слабостійких - на 14-19%. Аналогічна тенденція спостерігалася щодо зміни ОВ і ВП в листках картоплі.

Аналіз зміни амплітуди біоелектричної активності (БЕА) листків ранньостиглих сортів картоплі показав, що протягом 12 добової посухи в них спостерігалася перша фаза реакції - підйом активності, тобто вони помірніше реагували на нестачу вологи порівняно з пізньостиглими і уникали дії посухи завдяки більшим резервам води в материнській бульбі та коротшому вегетаційному періоду. Зміна амплітуди БЕА листків у пізньостиглого стійкого сорту Темп мала дві фази - підйом порівняно з контролем (4 доба посухи) і спад (7 та 12 доба посухи), що пов'язано зі зміною напруженості посухи від слабкої до стресової. В пізньостиглого слабостійкого до посухи сорту Древлянка другу фазу реакції - спад активності виявлено вже на 4 добу дії посухи. Подальше зневоднення зумовило збільшення амплітуди реакції листків даного сорту на нестачу вологи. Такі коливання БЕА в сорту Древлянка за високого і низького ВП листків виникали, певне, внаслідок порушення регуляторних механізмів адаптації в умовах посухи.

Максимальний захисний ефект регуляторів росту для сортів Гарт, Темп і Бородянської рожевої виявився за екстремальних умов водозабезпечення (посуха 12 діб). Обробка рослин регуляторами росту призводила, як правило, до суттєвого звуження амплітуди реакції на водний стрес, що свідчить про реалізацію адаптивного потенціалу і значне поліпшення фізіологічного стану рослин порівняно з варіантом “посуха”. При цьому П-К і Е-С виявилися найефективнішими для ранньостиглих сортів Гарт і Бородянська рожева, а П-А-6 - для пізньостиглих - Темп та Древлянка.

Таким чином, сортова специфіка адаптивного потенціалу картоплі за умов тривалої грунтової посухи формувалася під впливом змін у водообміні і БЕА. Обробка рослин регуляторами росту підвищувала стійкість до нестачі вологи і сприяла повнішому відновленню фізіологічного стану рослин в післястресовий період.

Реакція фотосинтетичного апарату сортів картоплі на посуху та обробку регуляторами росту

Встановлено, що зростання ВД листків за тривалої посухи викликало експоненційне зменшення інтенсивності фотосинтезу (ІФ) (рис. 3), яке пропорційне оберненій величині ВД. Значення ВД листків картоплі близько 30-35% є критичними у функціонуванні фотосинтетичного апарату, причому подальше збільшення ВД призводило до різкого зниження фотосинтетичної активності хлоропластів, особливо у слабостійких до посухи сортів картоплі Бородянської рожевої і Древлянки. У листках посухостійких сортів - Гарт і Темп виявлено повільніший спад ІФ за значного ВД, що свідчить про наявність адаптивних реакцій стабілізації енергетичних процесів за умов недостатнього водозабезпечення. В стійкого до посухи ранньостиглого сорту Гарт ІФ зменшувалась на 43,4%, слабостійкого - Бородянська рожева - на 70,9%, в пізньостиглого, стійкого до посухи сорту Темп - на 36,5%, в слабостійкого - Древлянка - на 75,0% до контролю.

З'ясовано, що криві залежності ІФ від ВД для ранньостиглих сортів картоплі зсунуті вправо по осі ординат порівняно з пізньостиглими, тобто дані сорти більш пристосовані до недостатнього водозабезпечення і не знижують ІФ за значнішого ВД. За реакцією фотосинтетичного апарату на дефіцит води сорти картоплі розміщуються у наступному порядку: Гарт, Темп, Бородянська рожева, Древлянка.

Обробка рослин водними розчинами регуляторів росту сприяла збереженню фотосинтетичної функції на вищому рівні, ніж в контрольних (рис. 4). Найефективніший вплив на ІФ листків картоплі виявив П-К, порівняно з П-А-6 і Е-С. При цьому стимулююча дія препаратів супроводжувалась зменшенням опору дифузії в листках картоплі.

Під впливом водного стресу знижувалась інтенсивність фотодихання (ФД) до одиниці зростання рівня темнового дихання (ІД) (табл. 1). При цьому зафіксовано збільшення величини ФД відносно ІФ у листках ранньо- і пізньостиглих сортів картоплі. Виявлено, що вища стійкість фотосинтетичного апарату до дії водного стресу у посухостійких сортів картоплі, на відміну від слабостійких, пов'язана з меншими (відносно ІФ) втратами вуглецю на ФД і вищою листковою провідністю СО₂. Полімерні форми регуляторів росту виявили активуючий вплив на світлове дихання за рахунок посилення ІФ та збільшення поглинання вуглекислого газу при відкритті продихів. Водночас діапазон зміни ІД був незначним за умов посухи, що вказує на його відносну стійкість до дефіциту вологи.

Однією з інтегральних характеристик фотосинтетичного апарату є кількість пігментів і їх співвідношення (Чернядьев, 1989). Встановлена пряма залежність між кількістю пігментів і продуктивністю, а також життєдіяльністю та стійкістю рослин до несприятливих факторів навколишнього середовища (Куренкова, 1982, Кренделева, 1985, Таран, 1999). Нами виявлено зниження концентрації хлорофілів і каротиноїдів за дії водного стресу. Водночас зафіксовано зменшення величини відношення хлорофілу а до хлорофілу в, що відбувалося за рахунок більшого зниження вмісту хлорофілу а. За недостатнього водозабезпечення виявлено найменші втрати каротиноїдів, порівняно з хлорофілом в і, особливо, з хлорофілом а.

Таким чином, тривала посуха індукувала гальмування процесів фотосинтетичного газообміну та зниження концентрації хлорофілів і каротиноїдів в листках картоплі. Застосування регуляторів росту сприяло зменшенню стресового впливу посухи, стабілізації ІФ, пігментного комплексу в листках сортів картоплі різного екологічного походження.

Фітогормональний і амінокислотний пули в листках сортів картоплі за дії посухи та регуляторів росту

Аналіз отриманих нами даних показав, що обробка рослин П-К в умовах посухи індукувала посилення синтезу ІОК, зеатину і зеатинрибозиду та стабілізацію вмісту АБК в листках картоплі порівняно з необробленими. Слід зазначити, що П-К сприяв збільшенню рівня зеатину і, особливо, зеатинрибозиду в листках картоплі у фази бутонізації і цвітіння. При цьому коефіцієнт Вр за дії П-К зростав в листках до рівня контролю.

Встановлено, що під впливом посухи накопичення АБК в листках стійкого до посухи сорту Темп було суттєвішим, ніж в слабостійкого Древлянка (рис. 5). Виявлені нами зміни в швидкості утворення АБК в листках рослин за дії тривалого зневоднення значною мірою співпадають з літературними, що є універсальним явищем і може бути віднесено до неспицифічного адаптаційного синдрому (Косаківська, 1997). Обробка рослин регуляторами росту індукувала значніше накопичення АБК в листках сортів картоплі за недостатнього водозабезпечення. Поряд з цим акумуляція вмісту АБК в листках стійкого до посухи сорту Темп була вищою, порівняно зі слабостійким Древлянка, причому незалежно від типу дії препарату.

За умов оптимального водозабезпечення виявлено суттєвіше виділення етилену з листків сорту картоплі Древлянка, ніж Темп (табл. 3). За умов посухи в листках сорту Темп спостерігалося незначне підвищення вмісту етилену, тоді як в Древлянки його концентрація різко зменшувалась порівняно до контролю. Значна активація виділення етилену за оптимального і гальмування за недостатнього водозабезпечення у рослин сорту Древлянка пов'язані з порушеннями фізіологічного стану, низькою адаптацією до водного стресу та прискореними процесами старіння. За подальшої експозиції досліду виділення етилену листками сортів картоплі поступово пригнічувалось і через 72 год у варіанті “посуха” виявлено лише сліди. Впродовж експерименту зменшення концентрації етилену в листках картоплі супроводжувалось збільшенням виділення етану.

Обробка рослин синтетичними аналогами ауксину і цитокініну сприяла активації виділення етилену листками картоплі порівняно до контролю (через 24 год експозиції). Водночас Е-С пригнічував акумуляцію етилену в листках картоплі. Дія П-К і Е-С індукувала зменшення кількості етану, а П-А-6 - збільшення в листках картоплі. Другий пік виділення етилену нами виявлено через 72 год як у контрольних так і оброблених П-К рослин. При цьому у стійкого до посухи сорту картоплі Темп концентрація етилену в листках рослин, оброблених П-К, була на рівні контролю. За дії П-К, П-А-6 і Е-С (через 72 год експозиції) виділення етану з листків картоплі сорту Темп знижувалось, а в сорту Древлянка його виявлено лише в контролі і в варіанті з обробкою П-К.

Погіршення водозабезпечення рослин викликало перебудови в загальному пулі амінокислот в листках і бульбах сортів картоплі (рис. 6). Динаміка зміни амінокислотного пулу за умов тривалого зневоднення обумовила значніше нагромадження вільних амінокислот і зменшення їх зв'язаних форм, особливо, аспарагіну, глутаміну, аланіну, валіну, лейцину, лізину в слабостійких до посухи сортів картоплі, що пов'язано з гальмуванням ростових процесів і частковим використанням амінокислот в синтезі білків.

Ефективніший вплив на збереження синтетичних процесів за дії зневоднення виявив П-К, порівняно з П-А-6 і Е-С. За дефіциту вологи інтенсифікація синтезу білка в рослин, оброблених регуляторами росту, супроводжувалась зменшенням концентрації вільних амінокислот і збільшенням їх зв'язаних форм.

В умовах зневоднення порушується синтез і наступає гідроліз білків з утворенням аміаку. Знешкодження токсичного аміаку проходить шляхом утворення амідів - аспарагіну і глутаміну, а також при синтезі аланіну з фосфоенолпірувату, якому відводиться роль основного акцептора в світлових реакціях фотосинтезу (Шматько, 1971, Кретович, 1972, Ситник, 1978, Turner, 1981, Жолкевич, 1989).

Встановлено, що посуха індукувала зростання кількості глутаміну і, особливо, аспарагіну в листках і бульбах картоплі. При цьому, слабостійкі до посухи сорти містили більшу кількість амідів, ніж стійкі. Обробка рослин регуляторами росту індукувала зменшення кількості амідів в листках картоплі. За таких умов дія синтетичних аналогів фітогормонів (П-К і П-А-6) була ефективнішою, від природного (Е-С), який проявив активність лише в пізньостиглих сортів. Зменшення вмісту амідів в листках картоплі пов'язано з тим, що регулятори росту сприяють підвищенню водозатримувальної здатності клітин і швидкому відновленню синтетичних процесів, внаслідок чого знижується вміст небілкового азоту в листках та бульбах картоплі за недостатнього водозабезпечення.

Інтенсивне накопичення проліну і аланіну в умовах недостатнього водозабезпечення відбувається шляхом прямого амінування піровиноградної кислоти або переамінування глутаміну (Кретович, 1972). Нами виявлено значніше зростання проліну в листках і бульбах картоплі, ніж аланіну, що свідчить про те, що процеси переамінування були переважно спрямовані на утворення проліну, якому відводиться ключова роль в реакції рослин на стресові чинники довкілля (Krzywanski, Kubis, 1992, Zrust, 1994, Кузнецов, Шевякова, 1999). Зафіксовано також, що в листках посухостійких сортів картоплі концентрація проліну була вищою ніж в слабостійких. Необхідно зазначити, що на противагу проліну, аланіну виявлено більшу кількість в листках і бульбах слабостійких до посухи сортів картоплі, ніж в стійких. Застосування регуляторів росту сприяло зниженню вмісту проліну, аланіну, а також аргініну, валіну, лейцину, ізолейцину, лізину, фенілаланіну, серину, гліцину, гістидину і не викликало помітних змін в концентрації треоніну, тирозину, триптофану та метіоніну за нестачі вологи.

Врожай і якість сортів картоплі за дії різного водозабезпечення та регуляторів росту

Формування врожаю і якості бульб картоплі значною мірою залежить від умов водозабезпечення (табл. 4).

Інтенсивне випаровування води слабостійкими до посухи сортами картоплі впродовж вегетації і гальмування відтоку асимілятів з їх листків до атрагуючих органів призвело до значних втрат врожаю та погіршення якості бульб картоплі. Посуха індукувала значніше нагромадження редукуючих цукрів в листках та зниження вмісту крохмалю, сухої речовини, сирого протеїну, білка, вітаміну С в бульбах слабостійких до посухи сортів картоплі, порівняно зі стійкими. При цьому відбувалося різке підвищення рівня нітратів в листках і бульбах картоплі. Підвищення адаптивного потенціалу сортів картоплі внаслідок пролонгованого впливу фітоактивних полімерів призводило до зменшення втрат врожаю і збереження якості бульб в посушливих умовах. Найефективніший вплив на рослини виявив синтетичний аналог цитокініну П-К, який призводив до зменшення втрат маси бульб в слабостійких до посухи сортів картоплі на 16-19%, а в стійких - на 24-25%.

Висновки