Альтернативный путь сохранения коллекции генетических ресурсов кормовых культур

Размещено на http://www.allbest.ru/

Альтернативный путь сохранения коллекции генетических ресурсов кормовых культур

Проанализированы результаты 25-летнего хранения 575 образцов семян люцерны посевной (Medicago sativa L.) и 127 образцов семян клевера лугового (Trifolium pratense L.) в филиале ВИР Кубанском генетическом банке семян при температуре 4°С. Семена хранили в герметически закрытой таре, исходная влажность семян составляла 4,0-6,9%. Показано, что у люцерны посевной число образцов со всхожестью выше 80% после хранения составляло 95%, а у клевера - 93% хранившихся образцов. На образцах клевера была обнаружена тенденция к увеличению периода сохранения высокой жизнеспособности при снижении исходной влажности семян. В 2018 г. проводилась разработка методики получения ультра сухих семян клевера лугового и люцерны посевной, потенциально пригодных к длительному хранению без использования низких температур, что является альтернативным путем сохранения генетических ресурсов растений. Используя силикагель в соотношении семена: силикагель=1:10, удалось за 7 недель подсушить семян клевера лугового до 2,8%, а люцерны посевной - до 1,9-2,0%, без снижения их всхожести. Эти значения ниже рекомендованных стандартами для генбанков, такие семена можно отнести к ультра сухим. Важным моментом методики является еженедельная замена использованного силикагеля на свежий. Следующий этап работ - проверка эффективности этого режима подсушивания семян клевера лугового и люцерны посевной в опытах по длительному хранению, а также в модельных опытах по ускоренному старению семян.

Сохранение и устойчивое использование биологического разнообразия имеет решающее значение для удовлетворения потребностей в продовольствии и здравоохранении, а также других потребностей растущего населения Земли [1]. По данным ФАО в мире насчитывается около1750 генных банков, сохраняющих 7,4 миллиона коллекционных образцов растений [2, С. 5]. Коллекция образцов сельскохозяйственных культур и их диких родичей, хранящаяся в ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова» (ВИР), занимает 4 место в мире по численности после коллекций США, Китая и Индии [2, С. 6]. Коллекция генетических ресурсов ВИР насчитывает 329826 образцов, из них 32543 образца составляет коллекция отдела генетических ресурсов кормовых культур (из отчета ВИР за 2017 г.). Это самая большая в России коллекция бобовых, злаковых и других кормовых культур. Сохранение коллекции кормовых культур в живом виде осуществляется как путем пересевов, так и с использованием технологии длительного хранения образцов семян в условиях низких температур.

Известно, что долговечность семян при хранении определяется взаимодействием биологических факторов, присущих семенам, и условий хранения, среди которых ведущую роль играют температура, содержание влаги в семенах (относительная равновесная влажность) и парциальное давление кислорода [3, С. 14], [4, С. 565]. Установлено, что, чем ниже температура хранения [5, С. 26] и парциальное давление кислорода [5, С. 57], тем длиннее период жизнеспособности семян. На изменение влажностного режима семена разных видов реагируют по-разному. У большинства сельскохозяйственных культур семена хорошо переносят подсушивание до влажности 2-5%. Такие семена называют ортодоксальными (от латинского orthodox - правоверный). Но есть растения, семена, которые нельзя высушивать ниже характерного для них, обычно высокого, уровня влажности (12-31%) - тропические древесные растения, цитрусовые, кофе, какао, некоторые каучуконосы и др. Их семена называют рекальцитрантными (от латинского recalcitro - брыкаться, противиться) [6, С. 501]. Позже была выделена группа растений, семена которых занимают промежуточное положение между ортодоксальными и рекальцитрантными. Собственно говоря, группа рекальцитрантных семян была разбита на две: те, которые переносят подсушивание только до влажности не ниже 15-20% - собственно рекальцитрантные, и те, которые можно подсушить до влажности 10-12,5% - интермедиальные семена [7, С. 15].

Сохранение рекальцитрантных и интермедиальных семян требует особых подходов - таких, как хранение семян в увлажненном состоянии [8, С. 130]. Ортодоксальные семена хранят подсушенными, их долговечность при снижении исходной влажности повышается, по крайней мере, в температурном интервале от 3° до 90°С и интервале влажности семян от 5% до 25% [9, С. 376]. Правильная организация длительного хранения семян, гарантирующая сохранение их жизнеспособности и генетической целостности, предполагает точное знание, являются семена ортодоксальными, рекальцитрантными или интермедиальными.

Современные стандарты для генбанков рекомендуют подсушивание ортодоксальных семян перед низкотемпературным хранением при 5-20°С и 10-25% относительной влажности воздуха [8, С. 24]. В этих условиях равновесная влажность семян составляет 3-7% в зависимости от культуры. В Генбанке ВИР, построенном в 2000 г., семена сушат перед закладкой на хранение при температуре 20°С и относительной влажности 12%. В этих условиях равновесная влажность семян у клевера составляет 3,5-5,8%, у люцерны - 3,7-5,2%.

Однако имеются экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что семена, подсушенные до более низких значений влажности, чем рекомендовано стандартами для генбанков, называемые ультра сухими, могут храниться весьма длительные сроки, притом даже без использования отрицательных температур. Например, ученые Мадридского политехнического университета показали, что семена 37 видов семейства Brassicaceae, подсушенные при помощи силикагеля до 1,5-3% и запаянные в стеклянные ампулы, сохраняли всхожесть на исходном уровне после 40 летнего хранения в лаборатории. В некоторых случаях всхожесть была выше исходной - за счет преодоления твердосемянности [10, С. 143]. Хранение ультра сухих семян при комнатной температуре представляет собой альтернативу энергозатратному низкотемпературному хранению. Но подсушивание семян до ультра низких значений влажности связано с техническими трудностями. К тому же, стоит помнить, что чрезмерное снижение влажности может привести к деструктивным изменениям. Для каждой культуры предел подсушивания связан с морфологическими особенностями семян, их биохимическим составом [11, С. 1019]. Серьезной проблемой является вывод семян из ультра сухого состояния без причинения им ущерба [7, С. 25].

Задача данного исследования - уточнить, к какому типу по отношению к подсушиванию относятся семена клевера лугового (Trifolium pratense L.) и люцерны посевной (Medicago sativa L.), и разработать методику получения ультра сухих семян этих культур, если они являются ортодоксальными.

Еще в 50-х ХХ века годах в опытах лаборатории семеноведения ВИР (с 1997 г. ЛДХГР) было показано, что семена кормовых бобовых культур хорошо переносят подсушивание до 4%-ной влажности, т.е., скорее всего, являются ортодоксальными. Многолетнее хранение семян - в течение 10-27 лет, в герметически закрытых стеклянных бутылочках в помещении, температура в котором колебалась от 12°С до 20°С, выявило различия в долговечности между образцами, имевшими разную исходную влажность. На основании результатов опытов были рекомендации для организации длительного хранение семян в Национальном хранилище семян на Кубани (ныне Кубанский генетический банк семян), начавшем работу в 1976 г. Для люцерны была рекомендована исходная влажность семян 4%, для клевера - 4-6%. Однако не все полученные тогда материалы были опубликованы и в должной мере обсуждены. Не все результаты могли быть однозначно истолкованы. В качестве примера можно привести 10-летнее хранение при 12-20°С образцов семян люцерны Славянской, исходная влажность которых колебалась в интервале от 13,9% до 4,4% (рис. 1).

Рис. 1. Влияние исходной влажности семян люцерны посевной сорта Славянская на изменение их всхожести в процессе хранения в герметически закрытой таре

семена долговечность луговой

В этом опыте было обнаружено, что снижение исходной влажности семян от 13,9% до 8,8% ведет к увеличению периода, в течение которого семена сохраняют высокую жизнеспособность. Однако дальнейшее снижение влажности от 8,8% до 4,4% не оказало заметного влияния на сохранность семян, что могло быть связано с довольно жесткими условиями использованной сушки - в термостате при 35-40°С, и повреждением семян, когда для получения более низких значений влажности увеличивали время экспозиции. Но, возможно, 10 лет - недостаточный срок для проявления преимуществ более низкой исходной влажности. С этой точки зрения целесообразно рассмотреть результаты длительного хранения большого числа образцов многолетних кормовых бобовых культур в Кубанском генетическом банке семян.

Так, в 1977 г. на хранение в Кубанский генетический банк было заложено на хранение 575 образцов люцерны посевной, 476 из них (83%) имели всхожесть выше 91-100%, остальные - 81-90% (рис. 2а). После 25 лет хранения в герметически закрытых бутылочках всхожесть в интервале 91-100% имели 106 образцов (19%), число образцов со всхожестью 81-90% увеличилось до 439 (76%), появились образцы с более низкой всхожестью. Но в целом число образцов со всхожестью выше 80% составляло 95% (рис. 2б). Такие результаты следует признать успешными. Тем более, что температура хранения базовых коллекций ВИР в Кубанском генетическом банке семян равна 4°С, тогда как современные стандарты для генных банков ФАО рекомендуют -18°С [8, p. 24].

Рис. 2. Соотношение числа образцов люцерны посевной с разной всхожестью (%): А - перед закладкой на длительное хранение в Кубанский генетический банк семян в 1977 г.; Б - после 25 лет хранения

В 1982 г. на хранение в Кубанский генетический банк семян было заложено 127 образцов клевера лугового. 85 из них имели исходную влажность семян от 4,0 до 5,0%, 42 - влажность от 5,1 до 6,9%. Такое деление на группы по влажности довольно условно: просто 5% - это среднее значение в интервале значений влажности, до которых высыхают семена в условиях, рекомендованных стандартами для генбанков ФАО [8, p. 24]. Тем не менее, было интересно выяснить, сказываются ли различия в исходной влажности семян на их долговечности. В группе с более низкой исходной влажностью 82 образца (96%) перед хранением имели всхожесть 91-100%, а 3 образца (4%) - 81-90% (Рис. 3а). После 25 лет хранения образцы со всхожестью 91-100% составляли 68% группы, а со всхожестью 81-90% - 28% (Рис. 2б). В группе с более высокой исходной влажностью в процессе хранения произошло уменьшение числа образцов со всхожестью 91-100% с 38 (90%) до 17 (45%), а число образцов со всхожестью 81-90% выросло с 4 (10%) до 19 (45%) (Рис. 3в и 3г). В группе с исходной влажностью 4,0-5,0% число образцов со всхожестью выше 80% в результате 25-летнего хранения в Кубанском генетическом банке семян снизилось со 100 до 96% (Рис.3а и 3б). В группе образцов с исходной влажностью 5,1-6,9% также произошло снижение числа образцов со всхожестью выше 80% с 90 до 86% (Рис.3в и 3г). Таким образом, нельзя сказать, что образцы клевера лугового с исходной влажностью 4,0-5,0% хранились значительно лучше, чем образцы с исходной влажностью 5,1-6,9%. Но тенденция к более длительному сохранению жизнеспособности при снижении исходной влажности семян имеется, особенно если сравнить, как менялось в группах, различающихся по влажности, число образцов со всхожестью 91-100%.

Если не разделять образцы клевера лугового, заложенные в 1982 г. в Кубанский генетический банк семян, на группы, то можно сказать, что после 25 лет хранения 118 из 127 (93%) имели всхожесть выше 80%.

В целом, достаточно успешные результаты длительного хранения в Кубанском генетическом банке образцов клевера лугового и люцерны посевной, имевших исходную влажность семян 4,0-6,9%, позволяют уверенно отнести семена этих культур к ортодоксальным. Это делает возможным разработку методики получения ультра сухих семян клевера лугового и люцерны посевной.

Рис. 3. Изменение соотношения числа образцов с разной всхожестью (%) в партии семян клевера лугового в процессе 25-летнего хранения в Кубанском генетическом банке семян в зависимости от исходной влажности семян:

А - при закладке на хранение, исходная влажность 4,0-5,0%;

Б - после хранения, исходная влажность 4,0-5,0%;

В - при закладке на хранение, исходная влажность 5,1-6,9%;

Г - после хранения, исходная влажность 5,1-6,9%

Первый этап разработки методики получения ультра сухих семян - определение нижнего предела влажности, до которого можно подсушивать семена, не вызывая деструктивных изменений, снижающих их способность к прорастанию и нормальному развитию.

В прошлые годы на зерновых культурах было показано, что при подсушивании образцов в термостате при температуре 40°С до ультранизких значений влажности всхожесть семян несколько снижалась. При использовании для подсушивания силикагеля в соотношении 10 объемов силикагеля на 1 объем семян изменений жизнеспособности семян не наблюдалось, при этом влажность семян снизилась до ультра низких значений за 7 недель [12, С. 42]. Такой же режим подсушивания был успешно использован для получения ультра сухих семян масличных культур. Для достижения положительного результата оказалась важна регулярная замена силикагеля, используемого для подсушивания [13, С. 51].

Аналогичные опыты были проведены в 2018 г. на семенах зернобобовых кормовых культур. В работе были использованы семена клевера лугового и люцерны посевной, полученные из отдела генетических ресурсов многолетних кормовых культур ВИР (табл. 1).

Таблица 1. Основные сведения об образцах клевера лугового и люцерны посевной, использованных в опытах по получению ультра сухих семян

семена долговечность луговой

Подсушивание семян проводили при помощи силикагеля (соотношение семена: силикагель = 1:10) в герметически закрытой таре при комнатной температуре, в течение 8 недель, еженедельно заменяя силикагель и проверяя стандартными методами всхожесть [14, c. 36-44] и влажность семян [15, c.109-114]. Перед определением всхожести образцы 6 часов выдерживали открытыми в лабораторном помещении (температура воздуха 18-20°С, относительная влажность воздуха 60%). Этого оказалось достаточно, чтобы семена увлажнились, и предшествующее подсушивание не сказывалось на их всхожести. Опыт проводили в двукратной повторности. Влажность семян в последнюю неделю опыта стабилизировалась и была у клевера лугового к- 7421 2,8%, у люцерны посевной к-6254 и к-19996 1,9% и 2,0%, соответственно (Рис. 4). Достоверных изменений всхожести изучаемых образцов в процессе подсушивания семян в течение 8 недель не произошло (рис. 5).

Рис. 4. Динамика высушивания семян клевера и люцерны с помощью силикагеля (соотношение семена: силикагель=1:10)

Рис. 5 - Влияние высушивания семян клевера и люцерны с помощью силикагеля (соотношение семена: силикагель=1:10) на их всхожесть

Таким образом, подсушивание семян многолетних бобовых трав - клевера лугового и люцерны посевной, при помощи силикагеля (соотношение семена : силикагель = 1:10) в течение 7 недель, сопровождаемое еженедельной заменой использованного силикагеля на свежий, позволяет снизить влажность семян клевера лугового до 2,8%, а люцерны посевной - до 1,9-2,0%, без снижения их всхожести. Следующий этап разработки методики получения ультра сухих семян клевера лугового и люцерны посевной - проверка этого режима подсушивания семян в опытах по длительному хранению, а также в модельных опытах по ускоренному старению семян.

Список литературы

1.The Convention on Biological Diversity. 1993. Preamble. URL: https://www.cbd.int/convention/articles/default.shtml?a=cbd-00 (accessed: 24.08.2018).

2.The Second Report on the State of the World's Plant Genetic Resources for Food and Agriculture. Rome: Commission on genetic resources for food and agriculture FAO, 2010. URL: http://www.fao.org/docrep/013/i1500e/i1500e_brief.pdf (accessed 24.08.2018).

3.Roberts E. H. Viability of seeds / E. H. Roberts. - London: Chapman and Hall Ltd., 1972. - 448 p.

4.Walters C. Structural mechanics of seed deterioration: Standing the test of time / C. Walters, D. Ballesteros, V. A. Vertucci // Plant Science. - 2010. V.179. - P. 565-573. doi:10.1016/ j.plantsci. 2010.06.016.

5.Justice O. L. Principles and practices of seed storage / O. L. Justice, L. N. Bass - Washington: U. S. Government Printing Office, 1978. - 289 p.

6.Roberts E. H. Predicting the storage life of seeds / E. H. Roberts // Seed Science and Technology. - 1973. - V1. - №3. - P.499-514.

7.Hong T.D. A protocol to determine seed storage behavior / T. D. Hong, R. H. Ellis. - Rome: IPGRI, 1996. - 64 p.

8.Genebank standards for plant genetic resources for food and agriculture. Rome: FAO, 2014.URL: http://www.fao.org/3/a-i3704e.pdf (accessed 24.08.2018).

9.Ellis R.H. The quantification of ageing and survival in orthodox seeds /R. Ellis, E. H. Roberts // Seed Science and Technology. - 1981. - V 9. -№2.- P.373-409.

Размещено на Allbest.ru