Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 .Обзор литературы 7
1.1. Исторический очерк о картофеле 7
1.2. Физиология продуктивности картофеля 10
1.3. Роль ассимиляционной части растений в формировании клубней картофеля 19
1.4. Некоторые вопросы водообмена растений 24
1.5. Некоторые вопросы физиологии "оздоровленного" картофеля в Таджикистане 26
Глава 2. Условия, объекты и методы исследований 32
2.1. Краткая почвенно-климатическая характеристика Гиссарской долины Таджикистана 32
2.2. Характеристика объектов исследований 37
2.3. Методы исследований 40
Глава 3.Результаты исследований 45
3.1. Содержание пластидных пигментов в онтогенезе растений картофеля в условиях различной водообеспеченности 45
3.2. Интенсивность транспирации у растений картофеля 50
3.3. Оводненность листьев генотипов картофеля 57
3.4. Жароустойчивость листьев картофеля 60
Глава 4. Продуктивность и водообмен картофеля 61
4.1. Накопление сухой биомассы растениями картофеля 62
4.2. Динамика образования сухой биомассы органов растений картофеля в связи с водообменом 65
4.3. Показатель гомеостатичности сортов картофеля 69
4.4. Влияние водообмена на образование сухой биомассы растений 71
Выводы 77
Список цитируемой литературы 79
- Роль ассимиляционной части растений в формировании клубней картофеля
- Некоторые вопросы физиологии "оздоровленного" картофеля в Таджикистане
- Интенсивность транспирации у растений картофеля
- Динамика образования сухой биомассы органов растений картофеля в связи с водообменом
Роль ассимиляционной части растений в формировании клубней картофеля
Согласно концепции А.Т. Мокроносова донорно-акцепторные отношения представляют единую донорно-акцепторную систему (Source + sink), функционирование которой определяется генетической программой заложенной в геномах (ядро, хлоропласт) растений (Мокроносов, 1981, 1983).
Донорами фотосинтетических ассимилятов ("Source") являются листовой аппарат, черешки и другие зеленые фотосинтезирующие органы, а все остальные нефотосинтезирующие органы растений выступают в качестве акцепторов ("Sink"). По характеру функциональной активности различают три типа аттрагирующих центров: точка роста, место отложения веществ в запас и активно метаболизирующих участков растений.
Связь между донорами и акцепторами осуществляется путем флоэмного транспорта. По флоэме происходит обмен между органами и тканями энергоемкими веществами, веществами регуляторнои природы и элементами минерального питания (Курсанов, 1976). Доноры ассимилятов и их акцепторы образуют в растении сбалансированную саморегулирующую систему. Поэтому регуляция донорно-акцепторных систем является наиболее оптимальным условием в обеспечении процессов сохраняющих физиологические функции растений как целостной системы.
Накоплен большой фактический материал, свидетельствующий о существовании положительной корреляции между количеством, величиной или активностью акцепторов, интенсивностью притока ассимилятов к ним и фотосинтетической активностью листьев. Увеличение аттрагирующей способности акцепторных зон в онтогенезе, появление новых или уже существующих потребителей ассимилятов (в первую очередь репродуктивных органов) приведут к ускорению фотосинтетической фиксации ССЬ, снижению включения восстановленного углевода в зональные продукты (крахмал), возрастание транспортных форм продуктов фотосинтеза (сахарозы) и усилению оттока ассимилятов из листьев (Thorne СМ., 1964; Wilson, 1965).
Имеется подтверждение о существовании корреляции между фотосинтетической функцией листьев и суммарной активностью аттрагирующих центров. Так, показано, что уменьшение потребности в ассимилятах (например, путем полного или частичного удаления потребляющих органов или их локального охлаждения), влечет за собой либо торможение интенсивности фотосинтеза, либо переориентацию потока ассимилятов на другие потребляющие органы (Мокроносов, 1981; Olufajo О.О. et.,al., 1982;Чиков, 1987).
Вместе с тем следует отметить, что удаление или затенение части листовой поверхности при сохранении прежней активности аттрагирующих центров, уменьшает отношение донор/акцептор и приводит сначала к возрастанию фотосинтетической активности единицы площади оставшихся листьев (у зрелых листьев за счет активизации или «гиперфункции» хлоропластов ) и молодых листьев за счет увеличения числа хлоропластов в клетке, а затем к увеличению листовой поверхности. Все это сопровождается усилением суммарного объема оттока ассимилятов из функционирующих листьев (Мокроносов, Борзенкова, 1972; Thorpe G.N. et al., 1974; Мокроносов, 1983).
До сих пор существует неоднозначное мнение о материальных носителях "запросов", посылаемых (как предполагали) акцепторными тканями, в сторону донора и регулирующего его метаболизм (Thorne, 1974; Курсанов, 1976; -Мокроносов, 1981). Одним из важных «запросов» считают сигнал биологической природы, который генерируется в меристемных клетках или тканях органов.
Другие предполагают, что в регуляции донорно-акцепторной системы участвуют метаболиты, направляемые из аттрагирующих зон к листу (Курсанов, 1976; Мокроносов, 1981, 1983). К таким сигнальным молекулам могут относиться фитогормоны. Подтверждением этого является обнаруженная взаимосвязь между изменением уровня эндогенных цитокининов в формирующихся семенах злаковых (ячмень, пшеница) со скоростью роста зерновок и накоплением в них запасающих веществ ( Moknla, 1978; Chael, 1984). В работе Борзенковой ( 1990), Okazawa (1981), Koda (1982), Marshner (1984) установлена положительная корреляция между скоростью роста клубня, его размером, общим содержанием крахмала в нем с активностью эндогенных цитокининов. Считают, что цитокинины (вместе с ауксинами) определяют рост клубней, контролируя деление клеток и его растяжение (Marshner, 1984; Malis, 1984). О возможном участии цитокининов и ауксинов в создании акцепторных свойств органов картофеля получены подтверждения в работе А.Т. Мокроносова (1981), где показано совпадение изменения активности фитогормонов в онтогенезе листа с окончанием его роста и со сменой функционального состояния, т.е. превращением листа из акцептора в донор.
У картофеля экспериментально показано, что нарушение донорно-акцепторного баланса при частичной дефолиации или удалении клубней приводило к изменению содержания цитокининов в листьях, причем эти два противоположных воздействия сопровождались разными типами изменений в содержании фитогормонов (Багаутдинова, 1985). Так, дефолиация уменьшая отношение донор/ акцептор, вызывает активизацию фотосинтеза и усиление оттока его продуктов из оставшихся листьев, увеличивая в них уровень цитокининов. В противоположность этому, удаление корней приводит к торможению фотосинтеза и транспорта веществ и сопровождается снижением уровня цитокининов. Впоследствии в обоих случаях происходит частичное восстановление старых и установление новых донорно - акцепторных связей, сопровождающихся изменением уровня цитокининов. Таким образом, приведенные выше литературные данные свидетельствуют о том, что воздействие эндогенных цитокининов на акцепторные ткани усиливает приток продуктов фотосинтеза к ним, вследствии чего происходит рост растительных органов и, следовательно, приводит к увеличению хозяйственно-ценной части урожая.
В последнее время широко используется другая модель в регуляции донорно-акцепторной системы высших растений, а именно роль крахмала в создании акцепторных свойств органов и тканей. Цитокининам отводится роль регуляции синтеза и накопления крахмала. Так в работе Рожьнина Е.С. и Мокроносова А.Т. (1984) показано, что главными факторами, определяющими акцепторные свойства органов и тканей, служат процесс роста и крахмалонакопления, обеспечивающие утилизацию продуктов фотосинтеза, в первую очередь сахарозы, как основной транспортной формы углеводов в растениях. Цитокинины регулируют аттрагирующую способность потребляющих и запасающих органов. Аттрагирующий эффект фитогормонов в меристематических тканях по их мнению заключается в регуляции дифференциации клеток, в присоединении вновь образующихся зон к единой транспортной системе растений. Кроме того, цитокинины воздействуют, прежде всего, на интенсификацию или индукцию этих процессов (дифференцировка клеток), образование новых зон крахмалонакопления в процессе фотосинтеза, что в конечном итоге, приводит к созданию концентрационных градиентов вдоль флоэмы. Создание градиентов концентрации (осмотическое давление) между донором и акцептором, должно определять направление транспорта веществ к акцепторным зонам растений.
Некоторые вопросы физиологии "оздоровленного" картофеля в Таджикистане
В последние годы в Республике Таджикистан широко используется культура меристем для оздоровления картофеля, которая внедрена в производство. Как показывают экономические расчеты (табл.1) (цит. по
Алиеву и др., 1997), внедрение в производство биотехнологий размножения картофеля вполне выгодно. Поэтому во многих странах семеноводство картофеля полностью переведено на безвирусную основу (Трофимец, 1991).
Одним из центральных вопросов безвирусного семеноводства является вопрос о длительности сохранения здоровья семенного картофеля. Существует несколько путей сохранения оздоровленного картофеля от заражения вирусными и бактериальными болезнями. Первый, основан на создании изолированных районов по семеноводству (Насыров, 1995; Алиев, 1997) и использовании сокращенной схемы выращивания элиты (Алиев, 1997). Но эти пути не решают проблему полностью. Необходимы новые поиски и решения. В этом отношении привлекает работа (Морозов, 1991 ), где применили вещества, индуцирующие устойчивость растений к вирусам, такие как рибонуклеазы, рестриктазы и др.
В работе Рейфмана и др. (Reifman et al.,), установлена способность рибонуклеазы ингибировать вирусную инфекцию. В исследованиях Л.Т.Трофимец и др ( 1991) сообщается о высоком вирусоингибирующем действии панкреатической рибонуклеазы в культуре меристем картофеля. Р.И.Салганик, Ю.И.Власов (1993) показали, что бактериальная эндонуклеаза подавляет вирусы в культуре апикальных меристем. Высказывается мнение, что механизм подавления вирусов с использованием рибонуклеазы, эндонуклеазы связан с деполимеризацией нуклеиновых кислот в процессе освобождения их из белковой оболочки или с образованием комплекса вирус-РНК-за (Морозова, 1991).
Оздоровленный семенной картофель отличается высокой урожайностью. Так, по данным Б.К.Каримова (1995), урожайность сортов Кардинал, Лорх, Эстима превышает контроль на 20-35%. По данным Мелик-Саркисова и др. (1985) - на 30-60%. Поэтому в последние годы получили интенсивное развитие исследования в области биотехнологии картофеля, которые широко внедряются в семеноводстве
Как показывают экономические расчеты, переход картофелеводства на биотехнологическую основу вполне выгоден (Трофимец, 1991). Расчеты, опубликованные в работе К.А.Алиева, Б.К.Каримова (1997), показали экономическую выгоду использования оздоровленных микроклубней в производстве элитного семенного материала (табл. 1.).
Поэтому метод культуры апикальных меристем картофеля приобретает особое значение в связи с использованием его в биотехнологии. Можно выделить три направления использования культуры изолированных клеток и тканей сельскохозяйственных растений. Первое - использование культуры изолированных меристем для клонального микроразмножения и оздоровление полученного материала от вирусов и других патогенов. Второе - связано со способностью изолированных клеток и тканей растений продуцировать ценные лекарственные препараты для медицины, таких как алкалоиды, стероиды, гликозиды, гормоны, эфирные масла, инсектициды и др. Третье - связано с использованием новых форм растений. Как правило, культивируемые in vitro растительные клетки, обладают значительной генетической неоднородностью, которая проявляется в процессе культивирования на искусственных питательных средах. Для клеточной селекции отбирают клетки, устойчивые к стрессовым природным факторам-засолению, высокой и низкой температурам, засухе и фитопатогенам. Здесь можно отметить использование культуры протопластов и получение неполовых (соматических) гибридов.
Клональное микроразмножение. В настоящее время в сельскохозяйственной биотехнологии широко используется клональное микроразмножение растений и оздоровление посадочного материала картофеля от вирусов и патогенов. Преимущество этого метода перед обычными способами заключается в получении в тысячи раз больших количеств посадочного материала. В отличие от обычных способов вегетационного размножения, микроразмножение используется круглый год. При этом экономятся площади теплиц и, самое главное, пробирочные растения можно хранить длительное время при пониженных температурах (Фенина, 1991).
Имеется несколько способов клонального микроразмножения растений: активация развития пазушных меристем; получение каллусной ткани с последующей индукцией морфогенеза; индукция развития побегов непосредственно из ткани эксплантанта.
В сельскохозяйственной биотехнологии больше всего используется первый способ. Этот метод позволяет размножить пазушные побеги и основывается на снятии апикального доминирования. При этом происходит пролиферация многочисленных пазушных побегов, в результате которой из одной меристемы получают большое количество растений (побегов). Этот способ в настоящее время широко внедряется в практике при получении посадочного материала плодовых (Свитайло, Бондаренко, Шевчук, 1988), ягодных (Кузнецов и др, 1988; Альшевцева 1988), дикорастущих культур ( Выхристова, 1988), а также овощных культур, таких как томаты (Внучкова,1988). Его начали использовать для оздоровления яблонь (Бурдисов, Ильина, Коннова, 1988), груш (Высоцкий, 1988), малины (Стрыгина, 1988) и вишни (Гернец, 1988).
Метод меристемных культур стал основным и для получения безвирусного посадочного материала картофеля( Трофимец и др., 1988). Получение из апикальных меристем безвирусных пробирочных растений картофеля, используемые для размножения черенкованием в стерильных условиях (Трофимец, 1989), приводит затем к получению в пробирках микроклубней, которые являются лучшим безвирусным посадочным материалом( Мелик-Саркисов, Овчинников 1985).
Интенсивность транспирации у растений картофеля
Рассмотрим изменения интенсивности транспирации различных сортов и линии картофеля, наиболее перспективных для Гиссарской долины Таджикистана, где наиболее отчетливо могут проявляться сортовые особенности. Как показывают данные (табл.5), самая высокая интенсивность транспирации наблюдается у сорта Невский. На втором месте по расходу воды стоит сорт Кардинал, испарение у него по сравнению с сортом Невский примерно в 1,5 раза меньше. Максимальная величина наблюдалась у сорта Невский и равна 3,9 г час, а у сорта Кардинал 2,62 г час. Относительно низкая интенсивность транспирации имеет место у сорта Жуковский и линии ТР. Наибольшая величина потери воды у них были 2,0 и 2,1 г. час соответственно. Максимум транспирации в дневной динамике приходится у всех изученных сортов на полдень, т.е. на 12 часов. Интенсивность потери воды в течение дня более равномерна у линии ТР. По этому показателю на втором месте стоит сорт Жуковский. Сорт Невский характеризируется быстрым нарастанием интенсивности транспирации и резким снижением этого показателя в последующие часы дня. Таким образом, несмотря на то, что все сорта картофеля выращивались в одинаковых условиях, отчетливо проявляются сортовые различия в уровне максимальных величин потери воды в течение дня. По всей вероятности высокий уровень потери воды предохраняет растения от перегрева листьев, активизирует фотосинтетическую способность и определяет относительно высокую биологическую и хозяйственную продуктивность картофеля в жарких условиях Гиссарской долины. И эти биологические процессы протекают неодинаково и имеют сортовую особенность, о чем также свидетельствуют данные на рис.4-7. Интересные, на наш взгляд, данные по водному режиму у линии ТР получены в лаборатории молекулярной биологии и генной инженерии Института физиологии растений и генетики АН Республики Таджикистан. Линия ТР получена методом клеточной гибридизации на устойчивость к высокой температуре. Интенсивность потери воды в течение дня имеет ярко выраженный постоянный ход. Максимальное значение потери воды составляет 2,14 гчас (к 12 час. дня) к 14 час и к 18 часам, 2,05 и 1,92 г час, т.е. снижение уровня транспирации не превышает 10-15% от максимальной. Вместе с тем у других сортов снижение уровня транспирации к 14,16 часам составляет более 40% от максимальной. Таким образом, линия ТР обладающая высокой устойчивостью к стрессовым природным факторам, расходует воду в жаркие дневные часы более экономно. Чтобы убедиться в этом мы проводили серии экспериментов по изучению динамики водного режима по фазам развития в связи с продукционным процессом.
Как видно из данных (таблб) интенсивность водообмена у всех исследованных сортов различалась в онтогенезе растений. Наибольшая величина наблюдается в фазе бутонизации и цветения, наименьшая в фазе начала бутонизации и после цветения. Различия в интенсивности транспирации, видимо, связано с естественным старением листьев, и следовательно, уменьшением количества устьиц, участвующих в процессах водо-газообмена листа. Таким образом, изменения, наблюдаемые в экстремальных условиях жизни растений (низкая или высокая инсоляция солнца, низкая или высокая температура среды, дефицит влаги в почве), по всей вероятности, связаны с подавлением энергетических систем клетки, обеспечивающих оптимальный режим водного баланса и, следовательно, работы фотосинтетических органов растений. Эти признаки являются сортозависимыми, и поскольку сорта с высокой устойчивостью с экстремальным факторам меняют сбалансированный водообмен более интенсивно, чем сорта неустойчивые к этим природным факторам. В последующих экспериментах мы изучали другие параметры водного режима, объясняющие адаптационный признак растений к изменяющимся факторам в течение суток и сезона. Оводненность листьев растений картофеля является важнейшим показателем общего состояния растений и степени его водообеспеченности. Показатели водного обмена листьев исследуемых сортов картофеля приведены в таблице 7. Как видно, из результатов данной таблицы у сорта Невский, оводненность листьев была 89,1% (среднее из 5 опытов). Оводненность листьев сортов Жуковский и Кардинал практически не отличалась от сорта Невский. Выше контроля и сортов Кардинал и Жуковский этот показатель был у линии ТР, где разница с контролем по оводненности была выше и составила (+1,5). У других сортов разницы от температуры не были достоверны. Показатель гомеостатичности клетки растений картофеля в фазе бутонизации - цветение является одним из главнейших признаков устойчивости растений к экстремальным факторам среды и используется, селекционерами как признак ценности генотипа. По этим показателям анализируемые сорта картофеля достоверно отличались друг от друга (табл. 7). Гомеостатичность была выше контроля у сорта Жуковский (2,21) и линии ТР (2,43) и ниже была у сорта Кардинал (1,75). Показатель оводненности листьев и гомеостатичности растения картофеля также был выше контроля у сорта Жуковский (119%) и линии ТР (150%) у сорта Кардинал этот показатель был ниже контроля (92%). Водоудерживающая способность листьев на прямую связана с соотношением форм воды в листьях, скоростью транспирации и состоянием коллоидов в цитоплазме. Отсюда, чем больше теряет лист воды за определенный отрезок времени, тем ниже его водоудерживающая способность. Процент водопотери воды за один час условно характеризует состояние воды в листьях. Свободная вода в свою очередь определяет общую физиологическую активность растений, которая обусловлена процессами транспирации и транспорта воды и других биологических и минеральных веществ. Показатели водопотери сортов картофеля приведены в табл.8. Как показывают данные этой таблицы показатели водоудерживающей Л способности и транспирации листьев имеют дневной ход изменения. Наивысшие показатели этих процессов приходятся на ІЗ00 часов дня. В утренние часы (900) и вечерние часы (1900) водоудерживающая способность и скорость транспирации гораздо ниже чем в дневное время (ІЗ00 часов) дня. Такая тенденция имеет место у всех исследуемых сортов и линий картофеля. Вместе с тем водоудерживающая способность имеет сортозависимое значение. Так, по этим показателям резко отличались сорта Кардинал и Невский от сорта Жуковский и линии ТР. Больше воды теряли листья сортов Кардинал и Невский меньше теряли воду сорт Жуковский и линии ТР.
Динамика образования сухой биомассы органов растений картофеля в связи с водообменом
Удельная поверхностная плотность листьев (УШІ)- это отношение сухого веса к единице поверхности, выражающаяся в мг/см Некоторые авторы (Тооминг Х.Г., 1971; Насыров Ю.С., 1986; Абдуллаев Х.А., Каримов Х.Х., 2001) использовали этот показатель при оценке селекционного материала на продуктивность. Они установили тесную положительную корреляцию удельной поверхностной плотности листьев растений (хлопчатника пшеница) с активностью фотосинтетического аппарата. Повышение УПП и возрастание интенсивности фотосинтеза связывали с изменением мезоструктуры листа и улучшением проводимости мезофилла для углекислого газа, работы фотосинтетических ферментов (например Рубиско).
Исследованные сорта картофеля существенно отличаются по удельной поверхностной плотности листа (табл. 11). одновершинный характер УПП в онтогенезе листьев с максимумом УПП 20-21 дневного возраста листа. Наибольшее значение УПП в этом возрасте листа отмечены у линии ТР, наименьшее у сорта Кардинал. Остальные сорта занимают промежуточное положение между линией ТР и сортом Жуковский. Не отмечено повышение показателя УПП по такому важному критерию как скороспелость. Так, сорт Кардинал - среднепоздний сорт имеет УПП-0,44, Полет- скороспелый сорт имеет УПП-0,49, среднеспелый сорт Невский- УПП-0,46, среднеспелый сорт Жуковский- УПП 0,55, а линия ТР (среднеспелый) имеет УПП-0,67.
Мы предполагаем, что показатель УПП, характеризует такой важный физиологический признак как устойчивость к засухе и водному дефициту, что и служило целью дальнейших наших исследований.
Данные табл.11, указывают на резкое уменьшение значения УПП по мере старения листьев картофеля. Этот показатель также имеет сортовую особенность, заключающую в значении УПП и характера его изменений с возрастом у разных сортов и, возможно, характеризует устойчивость к неблагоприятным факторам среды. б) Прирост сухой биомассы . Как видно из таблицы наибольшее накопление сухой биомассы имеет сорт Кардинал, наименьшее сорт Невский и линия ТР. Сорт Жуковский занимает промежуточное положение. Динамика накопления сухой биомассы по фазам развития также различалась в зависимости от сорта. У всех исследованных сортов динамика накопления сухой надземной массы и клубней отличаются по фазам развития. По накоплению массы клубни одного сорта также отличались друг от друга. Наибольшее накопление массы клубней имеет сорт Жуковский. Наименьшее сорт Невский. Сорт Кардинал и линия ТР имеют примерно одинаковую степень накопления сухой массы клубней.
Следует отметить, что линия ТР в процессе фазы ягодообразования лучше других сортов использует накопившиеся биопродукты (из надземной части) для формирования клубней. Если в фазу бутонизации и цветения линия ТР формирует меньше половины сухой массы клубней, то в фазу ягодообразования этот процесс резко усиливается и в конце этой фазы достигает 108,6 г на куст.
Сорт Невский в конце вегетации имеет сухую массу 85,4 г на куст, сорт Кардинал-106,9 и сорт Жуковский-110,7 г на куст. По этим показателям сорт Жуковский превосходит остальные сорта, следовательно, увеличивается и урожайность. Сорт Кардинал имеет примерно в два раза больше сухой биомассы надземных органов по сравнению с остальными исследуемыми сортами и линиями картофеля. Следовательно, сорт Кардинал имеет преимущество по накоплению сухой биомассы надземных органов по сравнению с другими сортами. Вместе с тем необходимо указать на один существенный факт, связанный с зеленением и «похуданием» надземных органов растений картофеля. «Похудание» органов растений непосредственно связано с процессом аттракции фотосинтетических продуктов накопившихся в стебле, листе, черешке и др. надземных частях растений. По этим признакам сорт Кардинал меньше остальных сортов транспортирует биопродукты из надземных органов в клубни. В этом отношении заметное место занимает линия ТР, у которой отмечено сильное «похудание» надземных органов растений, особенно, в фазу ягодообразования, когда больше половины биопродуктов переходит в клубни. Сорт Жуковский и сорт Невский по этим показателям занимает промежуточное положение.
Пересчет коэффициента использования фотосинтетических продуктов также отличался у этих сортов. Как показывают данные табл.12? коэффициент эффективности использования продуктов (отношение сухой массы клубней к сухой массе надземных частей растений картофеля) у линии ТР в фазу бутонизации составил 1,22, в фазу цветения - 1,42 и в фазу ягодообразования -2,68. Примерно такие же значения имеет сорт Жуковский. Коэффициент эффективности использования биопродуктов у сорта Кардинал по фазам развития примерно одинаков и составляет в фазе бутонизации 1,62, в фазе цветения - 1,64 и ягодообразования - 1,82. Следовательно, чем выше отток ассимилятов в фазу клубнеобразования, тем быстрее завершается процесс клубнеобразования. Таким образом, коэффициент аттракции напрямую зависит от скороспелости сортов.
