Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙ К стрессовым ЭДАФИЧЕСКИМ ФАКТОРАМ 8
1.1. Влияние стрессовых эдафических факторов на растения 8
1.2. Характеристика эдафических стрессовых условий Сибири в связи с культурой ячменя 18
1.3. Селекция на повышение толерантности сортов к неблагоприятным факторам среды 23
1.4. Биотехнология и сельское хозяйство 31
1.5. Роль методов биотехнологии в отборе форм растений, устойчивых к стрессам 34
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 39
2.1. Объекты исследования 39
2.2. Методы исследования 42
2.3. Статистическая обработка данных ..44
2.4. Характеристика почвенно-климатических условий мест проведения полевых испытаний линий регенерантов ярового ячменя и их родительских форм 45
ГЛАВА 3. ПОЛЕВАЯ ОЦЕНКА ИЗМЕНЧИВОСТИ ЛИНИЙ-РЕГЕНЕРАНТОВ ЯРОВОГО ЯЧМЕНЯ, ПОЛУЧЕННЫХ НА СЕЛЕКТИВНЫХ СРЕДАХ 48
3.1. Полевые испытания линий регенерантов ячменя и их родительских форм на оптимальных почвенных фонах 50
3.2. Полевые испытания линий регенерантов ячменя и их родительских форм на стрессовых почвенных фонах 65
3.3. Сортоиспытание наиболее перспективных линий-регенерантов на оптимальных почвах в ОПХ «Минино» 87
3.4. Иммунологическая оценка линий-регенерантов и их родительских форм по устойчивости к болезням 94
3.5. Агроэкологическая оценка линий-регенерантов и рекомендации по их дальнейшему использованию 97
ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ 103
ВЫВОДЫ ..104
ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА 105
ПРИЛОЖЕНИЕ 129
- Влияние стрессовых эдафических факторов на растения
- Характеристика почвенно-климатических условий мест проведения полевых испытаний линий регенерантов ярового ячменя и их родительских форм
- Полевые испытания линий регенерантов ячменя и их родительских форм на оптимальных почвенных фонах
Введение к работе
Актуальность темы. Ячмень - важнейшая продовольственная и кормовая сельскохозяйственная культура, широко распространенная на территории Сибири, которая часто возделывается на экстремальных фонах, в том числе на кислых и засоленных почвах. В Красноярском крае - наиболее крупном сельскохозяйственном регионе возделывания ячменя в Восточной Сибири, более 30% кислых почв приходится на пашню [Танделов, 1998; 2000; 2003]. Среди других зерновых культур ячмень отличается высокой чувствительностью к почвенной кислотности. В то же время эта культура характеризуется повышенной солеустойчивостью. Учитывая широкое распространение ячменя в Западной Сибири (65% от площади посевов в стране), значительные площади его размещаются по солонцовым почвам, которые в структуре пашни занимают здесь более 50% [Шульгин, 1966].
В связи с разнообразием почвенно-климатических условий в Сибири, отбор форм с высокими адаптивными свойствами, пригодных для возделывания в экстремальных условиях разных природных зон, является актуальной проблемой для этого обширного региона.
Одним из перспективных направлений, ускоряющим селекционный процесс, являются клеточные технологии, основанные на культивировании in vitro органов и тканей высших растений, позволяющие моделировать воздействие экстремальных факторов и проводить отбор устойчивых к ним форм [Зобова, 1998]. Объектом исследований в настоящей работе явились такие формы растений-регенерантов ярового ячменя полученные на кислых и засоленных средах.
Цель - определить с помощью полевых испытаний на разных почвенных фонах эффективность селекции растений-регенерантов ярового ячменя, в сравнении с их родительскими и другими коллекционными формами.
Основные задачи:
1. В полевых опытах провести оценку линий-регенерантов и их
родительских форм на разных почвенных фонах и в разных почвенно-
климатических зонах.
Выявить наследуемые отличия регенерантов от их родительских форм по устойчивости к стрессовым биотическим и абиотическим факторам.
Дать агроэкологическую оценку линий-регенерантов и рекомендации по их дальнейшему использованию.
Защищаемые положения.
Использование селективных сред в культуре in vitro, как эффективный способ получения стрессоустойчивых форм;
Линии регенерантов ярового ячменя, выделенные на селективных средах в культуре изолированных тканей, характеризуются существенными отличиями от своих родительских форм на стрессовых эдафических фонах не только по отдельным элементам продуктивности, но и по урожайности.
Научная новизна. Впервые в различных почвенно-климатических условиях проведены сравнительные полевые испытания линий-регенерантов ярового ячменя, полученных на селективных средах из каллусных клеток в культуре незрелых зародышей, включающих соле- и кислотоустойчивые линии, и их родительских форм. Выявлены изменения параметров структуры урожая регенерантов по сравнению с исходными формами, связанные с сомаклональной изменчивостью созданных форм.
Эффективность отбора регенерантов на селективных средах показана в полевых условиях по ряду селекционных признаков. Выявлено преимущество отдельных линий-регенерантов по сравнению со своими родительскими формами в различных почвенно-климатических условиях, что позволяет рекомендовать проведение такого отбора для получения устойчивых форм к стрессовым эдафическим факторам.
Практическая значимость. Свидетельством эффективности отбора in vitro являются линии регенерантов СР.1-У-95-1041, КР.63-Л-6-4246, СР.З-ГДГ-28І1-949, СР.4-ГДГ-28Ь-949 и СР.14-С-15 (Эквадор), дошедшие на почвах, оптимальных по обеспеченности основными элементами питания и рН, до конкурсного сортоиспытания. Они могут быть рекомендованы для непосредственного внедрения в производство. Особый интерес в качестве исходного материала в практической селекции на устойчивость к стрессовым эдафическим факторам представляют на засоленных почвах регенеранты -СР.51.1(7)-У-101-1113, КР.3.7.(1)-Т-136-368, КР.3.7.(7)-Т-13б-368, СР.13-С-15 (Эквадор), СР.14-С-15 (Эквадор), СР.4-ГДГ-28Ь-949 и КР.3.2.Кедр; на кислых почвах - СР.2-ГДГ-6І1-949 и СР.З-ГДГ-28Ь-949.
Апробация работы. По результатам исследований опубликовано 6 работ. Материалы диссертации доложены и обсуждены на Межвузовской научной конференции «Молодежь и наука - третье тысячелетие» (Красноярск, 2003); IX генетико-селекционной школе «Актуальные задачи селекции и семеноводства сельскохозяйственных растений на современном этапе» (Новосибирск, 2004); Международной конференции молодых ученых «Новейшие направления развития аграрной науки в работах молодых ученых» (Новосибирск, 2004); Всероссийской конференции молодых ученых «Современные тенденции развития АПК» (Красноярск, 2004); Региональной научно-практической конференции «Аграрная наука на рубеже веков» (Красноярск, 2005).
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 128 страницах машинописного текста, состоит из введения, трех глав, практических рекомендаций, выводов, списка использованной литературы, приложений, содержит 28 таблиц и 3 рисунка. Список литературы включает 220 наименований, в том числе зарубежных авторов -31.
Личный вклад автора. Автором лично заложены и проведены полевые испытания по оценке линий-регенерантов и их родительских форм на разных
почвенных фонах и в различных почвенно-климатических зонах. Проведен статистический анализ результатов полевых испытаний.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю д.с.-х.н., академику РАСХН Н.А. Сурину, а также к.б.н. Н.В. Зобовой за консультации и поддержку при подготовке настоящей диссертационной работы.
Влияние стрессовых эдафических факторов на растения
Рост и развитие культурных растений зависят от окружающей среды, т.е. от почвенных и климатических факторов. При оптимальных условиях они растут и развиваются нормально и дают высокий урожай. При отклонении от оптимума хотя бы одного из факторов растения угнетаются, что вызывает снижение урожая, а наступление критических условий часто приводят их к гибели [Батталов, 1980].
Одним из факторов среды, неблагоприятно действующих на растения, является повышенная почвенная кислотность [Климов, 1984; Медведев, Бука, 1991;Якушкина, 1993].
Кислотность влияет на растворимость и усвояемость растением различных питательных веществ. Такие питательные элементы, как фосфор (в определенных условиях), железо, цинк, марганец, бор и др., более усвояемы на кислых почвах [Рубин, 1971; Якушкина, 1993]. Из-за высокой кислотности в почвенных растворах образуются вредные для растений и микроорганизмов соединения алюминия, железа, марганца [Жученко, 1988, 1990, Рудой, 2004]. Как правило, почвы с низким рН характеризуются низким содержанием питательных веществ [Сурин, Ляхова, 1993]. В отличие от других злаков ячмень характеризуется коротким периодом поглощения питательных элементов, который заканчивается уже к началу цветения. В силу этого ячмень предъявляет повышенные требования к питательным элементам в первые фазы вегетации и недостаток их весной у него сильнее, чем у других злаков, отражается на величине урожая [Зерновые..., 1985].
Увеличение кислотности почвы (низкое рН) может сильно тормозить рост и даже оказывать повреждающее влияние на растения. Для каждого вида растений существуют свои границы рН, при которых возможен их рост [Якушкина, 1993]. По мнению Климова СВ. [1984] оптимальным рН для зерновых злаков, являются величины в пределах 6,0-7,0.
Для большинства культурных растений оптимум рН среды находится около нейтральной границы, однако нормальное их развитие возможно в довольно широком диапазоне: от 4,5 - 5,0 до 6,5 - 7,0 рН [Рубин, 1971]. Одни растения развиваются лучше в слабокислой среде (картофель), другие - при нейтральной или слабо-щелочной реакции (сахарная свекла). По утверждению Д.Н. Прянишникова [1965 т.З; 1976] растения, принадлежащие к одному и тому же семейству, могут значительно различаться в этом отношении. Так для кукурузы и овса оптимум лежит в более кислом интервале, чем для ячменя и пшеницы. Ячмень значительно уступает пшенице и особенно овсу по выносливости к кислым почвам [Прянишников, 1965 т.1, 1965 т.З, 1976; Коновалов, 1990; Сурин, Ляхова, 1993].
По степени чувствительности к реакции почвенного раствора Д.Н. Прянишников [1965 т.1] расположил полевые культуры следующим образом: люцерна —+ сахарная свекла —» ячмень — пшеница — горох — клевер — рожь — лен — люпин — овес.
Чувствительность зерновых культур к кислым почвам наиболее высока в фазе проростков [Полонский, Сурин, 2003; Foy, 1996]. Проростки ячменя гибнут при величине рН-3,5, а самой благоприятной рН для него является 6,8 - 7,5 [Сурин, 1977]. Резкий сдвиг рН в ту или иную сторону оказывает вредное, а иногда и губительное влияние на растение. При этом менее вреден сдвиг рН почвы в щелочную сторону. Это объясняется тем, что клетки корня растения выделяют С02, а иногда и органические кислоты, которые нейтрализуют избыточную щелочность [Прянишников, 1965 т.З, 1976; Якушкина, 1993].
Наиболее существенными факторами, связанными с кислотностью почвы и резко снижающими продуктивность сельскохозяйственных культур, являются обменный водород и подвижный алюминий.
По данным Адамса и Пирсона [1967] сама по себе кислотность в гораздо меньшей степени подавляет рост и снижает урожай, нежели переходящие в подвижную форму, при кислой почвенной реакции ионы А1 . Растворимость подвижного алюминия в почвах резко увеличивается при рН ниже 5,0 [Жу-ченко, 1988; Сурин, Ляхова, 1993; Танделов, Ерышова, 2003; Лисицин, 2004]. Например, при изменении значения рН почвы с 5 до 4 растворимость алюминия в ней увеличивается на три порядка [Полонский, Сурин, 2003].
Токсичность алюминия представляет собой сочетание влияний, из которых наиболее заметно подавление роста растений [Климашевский, 1991]. Присутствие А13+ в кислых почвах неблагоприятно воздействует на рост и развитие растений путем нарушения многих клеточных функций [Кенжебаева, 2001]. Токсичные количества алюминия быстро проникают через клеточные стенки, локализуясь преимущественно в ядре и митохондриях, при этом происходит нарушение ионного обмена и других метаболических процессов, снижаются доступность фосфора для синтеза органических соединений и проницаемость протоплазмы для воды и солей, вследствие чего замедляется поглощение и транспорт питательных веществ [Палавеев, 1983; Климашевский, 1990; Лисицин, 2004]. Так же, в условиях высокой концентрации А13+ в почве замедляются поглощение и использование корнями Р3+, Са2+, Mg2+, К+ и Н2, подавляется митотическая активность их клеток и интенсивность дыхания [Жученко, 1988].
Характеристика почвенно-климатических условий мест проведения полевых испытаний линий регенерантов ярового ячменя и их родительских форм
Полевые исследования линий-регенерантов ярового ячменя и их родительских форм проводили в различных почвенно-климатических зонах: в Красноярском крае на оптимальном почвенном фоне - в ОПХ «Минино» (Емельяновский район), на кислом фоне - в АО «Зареченское» (Тюхтетский район) и в АО «Лазурное» (Козульский район); в Новосибирской области на засоленном фоне - на Северо-Кулундинской СХОС (приложение 1).
Почвы ОПХ «Минино» Красноярского научно-исследовательского института сельского хозяйства представлены обыкновенными черноземами, мощными, среднегумусными, тяжелосуглинистыми по механическому составу. Реакция почвенного раствора близка к нейтральной (рН 7,5) [Сурин, 1996]. Содержание гумуса в пахотном слое (0-20 см) в среднем составляет 6,33%, валового азота - 0,306, валового фосфора - 0,197, валового калия -0,756% в подпахотном (20-40 см) соответственно 4,54; 0,255; 0,166 и 0,745%.
В Тюхтетском районе сильнокислые почвы занимают 32,4%), средне-кислые - 47,9%, а слабокислые - 17,5% [Танделов, Ерышова, 2003]. Дерново-подзолистая почва опытного участка в АО «Зареченское», характеризуется сильнокислой реакцией почвенного раствора (рН 4,4) с невысоким содержанием гумуса — 1,53%. Гидролитическая кислотность составляет 4,57 мэкв/100 г почвы, сумма обменных оснований — 11 мэкв/100 г почвы. Характерной особенностью этих почв, расположенных в таежной зоне края, является низкое содержание питательных веществ. Так, обеспеченность почвы опытного участка фосфором очень низкая — 2 мг Р2О5 на 100 г почвы, калием низкая — 7,76 К20 на 100 г почвы (по Кирсанову). В целом же обеспеченность почвы опытного участка питательными веществами очень низкая и составляет N — 0,106, Р — 0,0056, К — 0,672% [Сурин, Ляхова, 1993].
В Козульском районе преобладают средне - и слабокислые почвы на их долю приходится 72 и 24,9%, соответственно. Почва опытного участка в АО «Лазурное» дерново-подзолистая, среднегумусная 5,3%, тяжелосуглинистая по механическому составу, рН почвенного раствора 4,2. Обеспеченность участка Р205 очень низкая - 7,8 мэкв/100 г почвы, К20 среднее - 14,5 мэкв/100 г почвы (по Кирсанову). Содержание подвижного алюминия в кислых почвах Козульского района низкое. Например, в отдельных образцах дерново-подзолистых почв Козульского района оно доходит до 0,1 мэкв/ЮОг почвы [Танделов, Ерышова, 2003].
Почва опытного участка Северо-Кулундинской СХОС -среднестолбчатые солонцы, полугидроморфные. Механический состав -среднесуглинистый. Содержание гумуса в надсолонцовом горизонте - 3%. Содержание поглощенных: Са - 6,07, Mg - 2,03, Na - 3,3 мэкв/ЮОг почвы; Р205 - 3 мэкв/ЮОг почвы, К20 - 31,2 мэкв/ЮОг почвы. Реакция почвенного раствора рН 7,3. Степень засоления - средняя. Тип засоления - сульфатно-хлоридный.
На исследования, проводимые в 2002 - 2005 годах помимо почвенных факторов в различных почвенных зонах, непосредственное и существенное влияние на сельскохозяйственные растения ячменя в течение каждого вегетационного периода оказывали климатические условия (приложение 2-5).
В Красноярском крае в 2002 году, в условиях повышенной влажности и температуры воздуха наблюдалось раннее проявление и развитие болезней (эпифитотия). Вегетационный период 2003 и 2004 годов в целом был влажнее нормы, в том числе и во время уборочных работ, что повлияло на качество урожая. В 2005 году после ливневых осадков июля проявилось сильное полегание растений ячменя.
В районе Северо-Кулундинской СХОС Новосибирской области вегетационный период 2005 года в отличие от 2004 года характеризовался большим увлажнением почвы, что снизило урожайность ячменя в этом году примерно вдвое по сравнению с прошлым.
Полевые испытания линий регенерантов ячменя и их родительских форм на оптимальных почвенных фонах
Первые многолетние полевые испытания линий-регенерантов проводили на оптимальных почвенных фонах в ОПХ «Минино». Кроме своих родительских форм при определении сравнительной стрессоустойчивости линий-регенерантов ярового ячменя использовали солевыносливый образец С-15 (Эквадор), кислотоустойчивый по данным ВИР сорт Джюгяй и сорт Красноярский 80, являющийся основным стандартом в Государственном сортоиспытании для Красноярского края.
В результате полевых испытаний выявлено отличие некоторых линий-регенерантов с селективных сред от своих родительских форм и стандарта Красноярский 80 по ряду показателей структуры урожая (табл. 6).
Все исследуемые генотипы растений ячменя уступали стандарту Красноярский 80 по количеству сохранившихся растений к уборке, а регенеранты СР.14-С-15 (Эквадор), СР.2-У-95-1041, СР.51.1(7)-У-101-1113 и КР.3.2.Кедр - по массе 1000 зерен. Самой высокорослой формой среди исследованного набора образцов ячменя оказался стандарт Красноярский 80.
Отличия по этому показателю отмечены между регенерантами и их родительскими формами. Линии регенерантов: СР.14-С-15, СР.1-У-95-1041, СР.2-У-95-1041, КР.3.7.(7)-Т-136-368 - формировали более высокорослые растения, регенерант КР.3.2.Кедр - низкорослые по сравнению с исходными формами. Более мелкие зерна в среднем за 3 года имели по сравнению с родительскими формами линии регенерантов СР.2-У-95-1041 и КР.3.2.Кедр. Эти факты можно рассматривать как признаки сомаклональной изменчивости регенерантов, индуцированной в культуре каллусных тканей и сохраняющейся у потомков.
Если рассмотренные показатели продуктивности в большей степени определяются генотипом растения, то такие характеристики как сохранность растений к уборке, продуктивная кустистость и озерненность в значительной степени подвержены влиянию внешних почвенно-климатических факторов, и отражают устойчивость к ним растений.
В течение нескольких поколений у регенерантов СР.14-С-15 и КР.3.7.(7)-Т-136-368 наблюдалось уменьшение, а у регенерантов СР.1-У-95-1041 и КР.3.2.Кедр - увеличение количества сохранившихся к уборке растений с делянки по сравнению с их родительскими формами. Это может быть связано с их меньшей или большей по сравнению с родительскими формами устойчивостью к экстремальным факторам, возможно также сопряженной с сомаклональной изменчивость регенерантов.
Отличия по продуктивной кустистости растений и озерненности колоса между родительскими формами и их регенерантами по среднемноголетним данным были не значительны. На эти результаты повлияла небольшая доля изменений по этим показателям за период 2002-2004 годов (приложение 6-8). Линии регенерантов с селективных сред отличались от своих родительских форм и стандарта Красноярский 80 и по интегральному показателю - урожайности (табл. 7).
