Оценка адаптационного потенциала яблони по физиолого-биохимическим параметрам для формирования устойчивых плодовых агроценозов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оценка адаптационного потенциала яблони по физиолого-биохимическим параметрам для формирования устойчивых плодовых агроценозов

В условиях нестабильности климата проблема адаптации растений к изменяющимся условиям среды приобретает особую актуальность. В связи с этим проведены физиолого-биохимические и анатомо-морфологические исследования адаптационной устойчивости сортов яблони различного эколого-географического происхождения (Россия, Америка, Польша) к стрессовым факторам зимнего и летнего периодов для выявления наиболее адаптированных сортов к условиям южного садоводства. На основе современных высокоточных физиолого-биохимических методов проанализировано содержание свободной и связанной форм воды, сахарозы, пролина, антоцианов, халконов, белка, крахмала, фенолкарбоновых кислот в зимний период. Выявлено, что триплоидные сорта яблони Союз и Родничок, а также диплоидные сорта Рассвет, Фортуна отечественной селекции проявили себя наиболее устойчивыми к стрессорам зимнего периода в сравнении с другими изучаемыми сортами.

Методом световой микроскопии получены сравнительные данные строения листовой пластинки различных сортов яблони, характеризующие физиологическое состояние растений в летний вегетационный период. На основании данных, проведенных в разные по метеорологическим условиям годы, выявлено, что в летний период сорта Прикубанское, Союз, Родничок селекции СКЗНИИСиВ обладают комплексом признаков засухоустойчивости и жаростойкости и могут быть использованы в селекционном процессе, как источники комплекса этих признаков. Биохимическая адаптация сортов яблони отечественной селекции к абиотическим факторам летнего периода достигается за счет синтеза повышенного количества протекторных соединений - пролина, сахарозы, увеличением содержания связанной формы воды, абсцизовой кислоты, проявлением ксероморфных признаков листовой пластинки.

В последние годы резко возросло число климатических аномалий, что сказалось на обострении экологической обстановки в отечественном садоводстве. Стрессоры внешней среды в 3-4 раза снижают урожай сельскохозяйственных культур, в связи с чем проблема формирования устойчивых плодовых агроценозов в условиях нестабильности погодных условий приобретает особую актуальность. При воздействии стрессовых факторов интенсивные сорта могут реализовать лишь 15 - 30 % их потенциальной продуктивности [1]. На юге России неблагоприятными факторами среды являются низкие температуры, резкие их колебания в зимний период, частые оттепели, весенние заморозки, недостаток влаги в период вегетации. У большинства возделываемых сортов яблони наблюдается снижение устойчивости к экстремальным факторам среды, что обусловливает необходимость совершенствования сортимента с целью выявления сортов, сочетающих высокую урожайность с устойчивостью к наиболее распространенным в данной местности абиотическим и биотическим стрессорам [2].

Изучение механизмов адаптации, определение физиолого-биохимических критериев сортов яблони, характеризующих адаптационный потенциал к стрессовым факторам, позволит создать динамичные модели для управления реализацией их адаптивного и продукционного потенциалов. Это позволит стабильно получать высокие урожаи плодов, реализуя богатый потенциал продуктивности растений яблони.

Цель настоящей работы - провести сравнительную физиолого-биохимическую оценку адаптационной устойчивости сортов яблони разного эколого-географического происхождения к абиотическим стресс-факторам зимнего и летнего периодов и выявить сорта перспективные для возделывания на юге России.

Объекты и методы исследований. Отбор образцов (побеги, листья) для лабораторных исследований проводились на базе ЗАО ОПХ «Центральное», ФГБНУ СКЗНИИСиВ, г. Краснодар. Объектами исследований служили сорта яблони различного эколого-географического происхождения: Айдаред (США), Лигол (Польша), Прикубанское (Россия, СКЗНИИСиВ) 2009 г. посадки на подвое СК 4 при схеме посадки 0,9х4,5; сорта Рассвет (2п=2х), Фортуна (2п=2х), Союз (2п=3х), Родничок (2п=3х) (Россия, СКЗНИИСиВ) 2000 г. посадки на подвое М 9 при схеме посадки 2х5; сорта Эрли Мак (2п=2х) (США), Дейтон (2п=2х) (США) 1998 г. посадки на подвое М 9 при схеме посадки 2х5.

Использованы современные высокоточные физиолого-биохимические методы исследования водного обмена (общая оводненность, содержание свободной и связанной воды), содержания, пролина, сахарозы, антоцианов, халконов, крахмала, абсцизовой кислоты 3, 4 с применением высокоэффективного аналитического оборудования, а также методы световой микроскопии с использованием микроскопа Olympus ВХ41 5. Полученные экспериментальные данные обрабатывали с помощью общепринятых методов вариационной статистики 6.

Обсуждение результатов. Одной из важных составляющих адаптационного потенциала сорта яблони является устойчивость к температурным стрессорам зимнего периода. Стрессы зимнего периода вызываются действием различных абиотических факторов (ранние осенне-зимние морозы, низкие критические температуры и длительные морозы в течение всей зимы, морозы после оттепелей и солнечного нагрева с зимним иссушением тканей, ранневесенние заморозки и т.д.). Комплекс стрессовых факторов, их разнообразное сочетание и повторяемость позволяют считать природно-климатические условия Северного Кавказа уникальным местом для оценки генофонда плодовых растений на их устойчивость к неблагоприятным условиям внешней среды. Это позволяет по комплексу экстремальных факторов среды выделить доноры комплекса селекционно-ценных признаков, необходимых для проведения программ по созданию адаптивных сортов плодовых культур 7. Метеоусловия осенне-зимнего периода 2011 - 2014 гг. на территории ОПХ «Центральное» ФГБНУ СКЗНИИСиВ г. Краснодара были благоприятными. Максимальная температура воздуха в ноябре 2011, 2012 и 2013 г.г. составила 10,7°С, 25°С, 24,8°С и в декабре - 16,4°С , 23єС, 10,9°С, минимальная -1 - -10,5°С и - 1,5 - - 11,9°С, соответственно.

В условиях декабря 2013 г. сорта Айдаред, Лигол и Прикубанское характеризовались более низкой оводненностью побегов, в сравнении с 2011 и 2012 гг., что позволяет предположить вхождение их в состояние глубокого покоя. У сортов Рассвет, Фортуна, Союз и Родничок оводненность побегов в декабре 2013 г. была выше, чем в 2012 г., что характеризует более позднее вступление их в зимний покой (рис. 1).

Рис. 1. Динамика оводненности побегов яблони в декабре 2011-2013 гг.

биохимический яблоня адаптационный

Снижение оводненности тканей при переходе растений из вегетирующего состояния в состояние покоя принято считать одним из показателей повышения их устойчивости к неблагоприятным факторам среды, и этот показатель можно рассматривать как индикатор дифференциации сортов по устойчивости к отрицательным температурам как в период органического, так и вынужденного покоя 8.

Определение влияния гидротермических условий февраля 2012 - 2014 гг. на оводненность побегов яблони на примере сортов Айдаред, Лигол и Прикубанское позволило установить отрицательную зависимость между общей оводненностью и содержанием свободной формы воды, характеризующем интенсивность обменных процессов, как от максимальной (сорт Лигол), так и минимальной (Сорта Айдаред и Прикубанское) температуры воздуха (Ккоррел.= -0,6 - -1), что позволяет предположить более ранний выход сорт Лигол польской селекции из состояния органического покоя (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость оводненности побегов яблони от гидротермических условий февраля 2012 - 2014 гг.

Одним из показателей морозоустойчивости растений яблони в состоянии органического покоя служит содержание связанной формы воды в клетках, находящееся в зависимости от присутствия осмопротекторов, в частности сахарозы и пролина. Одна из основных функций пролина - защитная, его гидрофильные группы связываются с гидрофильными группами участками белков, повышая гидрофильность, что предотвращает их денатурацию и способствует поддержанию оводненности даже при снижении общего содержания воды в клетке [9]. При искусственном промораживании побегов яблони в модельном опыте установлено, что изменение содержания связанной формы воды в побегах изучаемых сортов яблони в 2011 и 2012 гг. в большей степени коррелировало с содержанием пролина (Ккоррел. = 0,68 - 0,9) и в меньшей - сахарозы (Ккоррел. = 0,24 -0,31) (рис. 3).

Рис. 3. Биохимическая характеристика изменения водоудерживающей способности яблони при промораживании побегов в модельном опыте.

Следует отметить высокую степень корреляции этого показателя с содержанием антоцианов и халконов (Ккоррел. = 0,97 - 1,0), повышающих устойчивость растений к стрессовым факторам и защищающих мембраны клеток (содержание свободных катионов) от разрушения (К коррел. = 0,91 - 0,97). Известно, что антоцианы в форме цианидинов, влияя на световой и температурный режим клетки, могут способствовать функционированию растений при пониженных температурах [10].

В 2013 г. наблюдалась высокая обратная корреляция между этими показателями (Ккоррел. = -0,95 и -0,73, соответственно), что характеризует перестройку метаболических процессов в процессе адаптации.

Изучение зависимости между изменением содержания связанной формы воды, сахарозы, белка, пролина, фенолкарбоновых кислот, суммы катионов, крахмала при промораживании показало, что наибольший коэффициент корреляции наблюдается между содержанием связанной формы воды, осмопротектора - пролина и антоцианов (Ккоррел. = 0,79 и 0,75, соответственно), ингибирующих свободнорадикальные процессы при окислительном стрессе (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость водоудерживающей способности побегов яблони при промораживании от изменения биохимических показателей

Одним из показателей физиологического состояния плодового дерева в период покоя служит содержание в зимующих органах крахмала, являющегося основой для синтеза веществ, обеспечивающих зимостойкость. Накопление крахмала, являющегося основным запасным веществом в зимний период, способствует формированию повышенной зимостойкости яблони. Известно, что для морозостойких сортов плодовых характерен быстрый гидролиз крахмала уже с начала зимы. У недостаточно морозостойких сортов гидролиз крахмала задерживается [11.

Гистохимическими исследованиями установлено, что в условиях февраля 2014 г. триплоидные сорта Союз и Родничок, диплоиды Айдаред и Прикубанское с большим накоплением крахмала в зоне мелкоклеточной сердцевины побега проявили себя высоко зимостойкими. Диплоидные сорта Рассвет, Фортуна, Эрли Мак - зимостойкими, сорта Дейтон, Лигол - средне зимостойкими.

Таким образом, в условиях зимнего периода 2011-2014 г.г. у изучаемых сортов яблони выявлена различная устойчивость к экстремальным факторам зимнего периода в связи с эколого-географическим происхождением. Отечественные триплоидные сорта Союз и Родничок, а также диплоиды Рассвет, Фортуна проявили себя более устойчивыми к стрессорам зимнего периода.

Показано, что на оводненность однолетних побегов у изученных сортов яблони американского происхождения (Айдаред, Эрли Мак, Дейтон) и селекции СКЗНИИСиВ (Прикубанское, Рассвет, Фортуна, Союз, Родничок) преимущественное влияние оказывает экстремальная температура воздуха (Ккоррел. = -0,8 - - 1,0), а у сорта польской селекции Лигол - температура воздуха и количество выпавших осадков (Ккоррел. = -0,8 - - 1,0 и 0,8 соответственно).

В летний вегетационный период на территории Северного Кавказа растения особенно сильно страдают от длительной почвенной и атмосферной засухи, а также от суховея и жары, так как большинство из них культивируется в неорошаемых условиях или при ограниченном орошении [12]. Такое сочетание экстремальных факторов может привести не только к потере урожая плодовых культур, но иногда и к гибели плодовых насаждений. В связи с этим создание сортов с высокой экологической пластичностью, устойчивых к лимитирующим факторам среды, в частности к летней засухе является одним из приоритетных направлений селекции яблони.

Летние периоды в ОПХ «Центральное» г. Краснодар 2013 - 2014 гг. были жаркими. Уже в мае температура воздуха в 2013 г. достигала 32°С и в 2014 г. - 35°С, в июле и августе - 35-37°С. Количество выпавших осадков в августе по сравнению с июнем и июлем снижалось и в августе 2014 г. отмечалась засуха (осадки - 0 мм при температуре воздуха 36°С).

Экстремальные факторы летнего периода ингибируют фотосинтез и рост растений Отклонение влагообеспеченности растений от оптимума, как правило, сопровождается изменениями физиологических процессов. У более засухоустойчивых растений при нарастающем обезвоживании дольше сохраняются синтетические процессы, не повреждаются или меньше повреждаются мембранные системы клеток, обеспечивающие их нормальный гомеостаз, сохраняются нормальные физико-химические свойства протоплазмы (вязкость, эластичность, проницаемость), больше выражены ксероморфные признаки анатомической структуры листа [13.

Физиолого-биохимические исследования проводили в периоды наибольшей напряженности стрессовых факторов, когда наблюдается более тесная корреляция между физиолого-биохимическими показателями и климатическими факторами.

Изучено влияние гидротермических условий летнего периода г. Краснодара на оводненность листьев яблони. В условиях достаточной влагообеспеченности 2013 г. оводненность листьев коррелировала у сортов Айдаред и Эрли Мак с минимальной температурой воздуха (Ккоррел= 0,98), Дейтон и Лигол - со средней температурой воздуха (Ккоррел.= 0,96 и 0,83, соответственно), Родничок, Союз и Фортуна - с количеством выпавших осадков (Ккоррел.= 0,86-0,91), у сортов Прикубанское и Рассвет - с минимальной температурой воздуха (Ккоррел.= 0,98 и -1, соответственно).

В условиях более засушливого лета 2014 г. оводненность листьев у изучаемых сортов яблони (кроме сорта Айдаред) напрямую зависела от количества выпавших осадков (Ккоррел. = 0,68-1,0) и у сорта Айдаред - от средней температуры воздуха (Ккоррел.= 0,55). Таким образом, в условиях достаточной влагообеспеченности у изучаемых диплоидов яблони различного эколого-географического происхождения оводненность листьев в большей мере лимитируется температурным режимом, а при низкой влагообеспеченности, как у ди-, так и триплоидов - количеством выпавших осадков (рис. 5).

Рис. 5. Зависимость оводненности листьев яблони от гидротермических условий летнего периода 2013, 2014 г.г.

В 2014 г. в июле в сравнении с июнем и в августе в сравнении с июлем у сортов американского происхождения Эрли Мак, Дейтон и сортов Прикубанское и Фортуна селекции СКЗНИИСиВ на фоне снижения количества выпавших осадков повышалось содержание сухих веществ в листьях, что свидетельствует о нерациональной трате пластических веществ, связанной с адаптацией к засухе (рис. 6).

Рис. 6. Динамика содержания сухих веществ в листьях яблони в летний период 2013 и 2014 г.г.

биохимический яблоня адаптационный

Показателем устойчивости растений к низкой влагообеспеченности в условиях летнего периода служит изменение соотношения связанной и свободной форм воды в листьях. Снижение содержания связанной формы воды, с одной стороны позволяет предположить активацию обменных процессов в связи с адаптацией, так как чем меньше изменяется соотношение связанной воды к свободной, тем большим адаптационным потенциалом может обладать сорт.

Увеличение содержания свободной формы воды в августе у большинства изучаемых сортов (кроме сортов Родничок и Эрли Мак) позволяет также предположить более активную транспирацию, что может быть связано с состоянием апертуры устьичного аппарата (Ккоррел.= 0,49). Высокие температуры индуцируют закрывание устьиц, которое можно рассматривать как косвенную реакцию на температурную зависимость дефицита давления водяных паров и дыхания листьев [14.

В июле размер замыкающих клеток устьиц листьев изучаемых сортов яблони обратно коррелирует с содержанием свободной АБК в листьях (Ккоррел.= - 0,7), а в августе связь между этими показателями ослабевает (Ккоррел.= - 0,3) (рис. 7).

Рис. 7 Зависимость содержания свободной воды в листьях яблони от числа устьиц на ед. площади листа в летний период 2014 г.

При этом изменение размера замыкающих клеток устьиц у изучаемых сортов в августе по сравнению с июлем прямо коррелирует с изменением содержания АБК (Ккоррел.= 0,44) в листьях. Как известно, накопление АБК в условиях низкой влагообеспеченности способствует уменьшению устьичной апертуры [15. У сортов Союз, Фортуна, Прикубанское, Айдаред отмечается положительная корреляция (Ккоррел.= 0,66 -1,0) между содержанием свободной формы воды в листьях и числом устьиц на единицу площади листовой пластинки, а у сортов Лигол, Дейтон, Родничок и Рассвет - отрицательная (Ккоррел.= -0,59 - -0,97), что также характеризует специфику механизмов регуляции водного режима.

Устойчивость листьев к обезвоживанию регулируется комплексом физиологических и биохимических процессов, при этом устойчивость цитоплазмы к обезвоживанию связана с наличием в ней таких осмопротекторов, как сахароза и пролин. Накопление пролина как осмотически активного органического вещества благоприятствует удержанию воды в клетке.

Следует отметить увеличение содержания пролина и сахарозы в листьях изучаемых сортов яблони в июле и значительное увеличение содержания пролина при следовых количествах сахарозы и уменьшении содержания крахмала в августе у сортов Рассвет, Фортуна, Союз, Родничок, Дейтон и Эрли Мак. Снижение содержания пролина у сортов Айдаред, Лигол наблюдавшееся в августе 2014 г. в условиях теплового шока, характеризует их низкую жаростойкость в условиях летнего периода 2014 г. (рис. 8).

Рис. 8. Зависимость водоудерживающей способности листьев яблони от содержания пролина и сахарозы в летний период 2014 г.

Увеличение содержания крахмала в листьях изучаемых сортов в июле в сравнении с июнем (кроме сорта Рассвет) согласуется со снижением активности амилазного комплекса (табл. 1). У сорта Рассвет содержание крахмала в листьях снижается, что может быть связано с преобладанием его гидролиза над синтезом.

Таблица 1. Характеристика гидролиза крахмала в листьях яблони в летний период 2014г.

Приведенные данные позволяют предположить активацию различных сигнальных систем в связи с развитием в августе 2014 г. водного стресса, что подтверждается изменением содержания АБК, осмопротекторов пролина, сахарозы, крахмала в листьях, размером замыкающих клеток устьиц и числом устьиц на единицу площади листовой пластинки.

Анатомо-морфологические параметры листовой пластинки изучаемых сортов яблони, проведенные в летний период 2013-2014 г.г. представлены в таблице 2.

Таблица 2. Анатомо-морфологические параметры листовой пластинки сортов яблони различного эколого-географического происхождения

Анатомо-морфологическими исследованиями выявлено, что признаки ксероморфной организации листовой пластинки, обуславливающие устойчивость к засухе наиболее четко выражены у триплоидных сортов яблони Союз и Родничок отечественной селекции.

Таким образом, полученные результаты позволяют предположить лучшую адаптацию к лимитирующим факторам летнего периода у сортов яблони отечественной селекции, особенно у триплоидных сортов яблони Союз, Родничок и диплоидного сорта Прикубанское.

Выводы

биохимический яблоня адаптационный

Обобщены данные изучения адаптационной устойчивости сортов яблони различного эколого-географического происхождения (Россия, Америка, Польша) к стрессорам зимнего и летнего периодов по физиолого-биохимическим и анатомо-морфологическим параметрам.

Проанализировано содержание свободной и связанной форм воды, сахарозы, пролина, антоцианов, халконов, белка, крахмала, фенолкарбоновых кислот в зимний период. Выявлено, что триплоидные сорта яблони Союз и Родничок, а также диплоидные сорта Рассвет, Фортуна отечественной селекции проявили себя наиболее устойчивыми к стрессорам зимнего периода в сравнении с другими изучаемыми сортами.

Выявлено, что в летний период сорта Прикубанское, Союз, Родничок селекции СКЗНИИСиВ обладают комплексом признаков засухоустойчивости и жаростойкости и могут быть использованы в селекционном процессе, как источники комплекса этих признаков. Биохимическая адаптация сортов яблони отечественной селекции к абиотическим факторам летнего периода достигается за счет синтеза повышенного количества протекторных соединений - пролина, сахарозы, увеличением содержания связанной формы воды, абсцизовой кислоты, проявлением ксероморфных признаков листовой пластинки.

Литература

1. Ненько, Н.И. Физиолого-биохимическая характеристика сопряженной устойчивости яблони к абиотическим стрессам юга России / Н.И. Ненько, Г.К Киселева // The European Scientific and Practical Congress `Scientific resources management of countries and regions' Copenhagen, Denmark, 18 July 2014. Publishing Center of The International Scientific Association “Science & Genesic”, Copenhagen, 2014. - P.123-130.

2. Ненько. Н.И. Физиолого-биохимическое исследование сортов яблони различной плоидности для создания сортовых конвейеров, устойчивых к засухе на юге России / Н.И. Ненько, Г.К. Киселева, А.В. Караваева, Е. В. Ульяновская // Плодоводство и виноградарство Юга России [Электронный ресурс].- Краснодар: СКЗНИИСиВ, 2014.- № 27 (03).- 10 с.

3. Ненько, Н.И. Физиологические методы в адаптивной селекции плодовых культур / Н.И. Ненько, Т.Н. Дорошенко, Т.А. Гасанова // Современные методологические аспекты организации селекционного процесса в садоводстве и виноградарстве.-Краснодар, СКЗНИИСиВ, 2012.- С. 189-198.

4. Ненько, Н.И. Физиолого-биохимические методы изучения исходного и селекционного материала / Н.И. Ненько, И.А. Ильина, В.С. Петров, М.А. Сундырева // Современные методологические аспекты организации селекционного процесса в садоводстве и виноградарстве. Краснодар: СКЗНИИСиВ, 2012.- С. 530-540.

5. Киселева, Г.К. Анатомо-морфологическая оценка адаптивного потенциала сортов плодовых культур и винограда. - Современные методологические аспекты организации селекционного процесса в садоводстве и виноградарстве. - Краснодар, СКЗНИИСиВ, 2012.- С.199-205.

6. Доспехов, Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований).- М., 1979. - 463 с.

7. Жученко, А.А. Настоящее и будущее адаптивной системы селекции и семеноводства растений на основе идентификации и систематизации их генетических ресурсов // Сельскохозяйственная биология.- 2013.- №5.-С.8-9.

8. Гончарова, Э. А. Водный статус культурных растений и его диагностика: монография / СПб: ВИР, РИО.- 2005. - 125 с.

9. Кузнецов, Вл. В. Пролин при стрессе: биологическая роль, метаболизм, регуляция / Вл. В. Кузнецов, Н.И. Шевякова // Физиол. раст. - 1999. - 46. №;2. - С. 321-336.

Размещено на Allbest.ru