Сравнительная оценка засухоустойчивости мутантных и гибридных форм яблони Министерство сельского хозяйства Российской федерации Департамент кадровой политики и образования Мичуринский государственный аграрный университет Плодоовощной институт им. И. В. Мичурина дипломная работа Грачёва Сергея Валерьевича На тему: «Сравнительная оценка засухоустойчивости мутантных и гибридных форм яблони» Специальность 310600 «Селекция и генетика сельскохозяйственных культур» Руководитель кандидат, доцент с. х. наук Расторгуев С. Л. Подпись _______________ Консультанты _________________________________________ _____________________________________________________ Допущен к защите ________________ Заведующий кафедрой кандидат, доцент с. х. наук Расторгуев С. Л. Мичуринск-2002 г. Содержание. Содержание. 2 8. ПРИЛОЖЕНИЯ______________________________________56 3 Введение. 4 1.Состояние вопроса. 7 1.1 Значение яблони как культуры, ее биология и требования к почвенно-климатическим условиям. 7 1.2 Отношение растений яблони к водному дефициту 9 1.3 Достижения в селекции яблони. 17 2.Цель и задачи исследований. 21 3. Условия объекты и методика исследований 22 3.1 Время и место проведения исследований. 22 3.2 Объекты и методика исследований. 25 4. Результаты исследований 29 4.1 Сравнительная оценка потери H20 мутантных и гибридных форм с контрольными сортами яблони. 30 4.2 Сравнительная оценка потери H2O между перспективными мутантными и гибридными формами яблони. 50 4.3 Сравнительная оценка наиболее перспективных мутантных и гибридных форм с районированными контрольными сортами 52 5. Выводы. 54 6. Охрана окружающей среды. 55 7. Список использованной литературы. 57 8. ПРИЛОЖЕНИЯ______________________________________56 Введение. Еще в прошлом веке один мудрый человек сказал: "Если бы завтра весь мир должен был погибнуть, сегодня я все равно посадил бы яблоню". И дело здесь не только в утилитарном, потребительском отношении к этому замечательному дереву. Овеянная легендами, воспетая в устном народном творчестве, яблоня неотделима от нашей духовной жизни (Мичурин И.В., 1948). Яблоки выращивали в Европе и Азии с очень давних времен, они были известны грекам и римлянам и упоминались Теофрастом в III в. до н.э. С этих пор яблоня была распространена людьми почти во все части земного шара. Это было возможно благодаря большой генетической изменчивости яблони, которая позволила отобрать адаптированные типы для различных условий окружающей среды. В настоящее время яблоки составляют около 50 % продукции листопадных плодовых деревьев во всем мире, и, хотя эта доля колеблется от года к году в зависимости от условий в основных центрах производства, она составляет в среднем более 23 млн.т. Большую часть мировой продукции яблок составляют десертные и консервные сорта, хотя все большее значение приобретают сорта двойного значения. Требования плодов высокого качества заставляет искать возможности сбыта плодов менее высокого качества, а это значит, что они должны быть пригодны для различной переработки или для производства яблочного сока. В Европе большие количества яблок выращиваются специально для производства сидра. В нашей стране за 1995 по 2000 гг. по сравнению с предыдущими годами площадь плодово-ягодных насаждений в сельскохозяйственных предприятиях сократилась на 51 тыс. га, а валовой сбор плодов почти в два раза. Прежде всего, возникновение и развитие кризиса в садоводстве связано с экономической ситуацией сложившейся в нашей стране, что привело к разрушению существующих связей между садоводством и другими отраслями народного хозяйства, с отсутствием государственной поддержки, с отсутствием ценового паритета на промышленную и плодово-ягодную продукцию, с непродуманными мерами по реорганизации высокорентабельных плодоводческих хозяйств (Грязев В.А., 1999), а также с проблемами сложившимися в самой отрасли садоводства. В связи с этим, по-прежнему остается актуальной проблема интенсификации садоводства, создание интенсивных садов возможно с учетом правильного подбора сортов и подвоев и научного обоснования приемов агротехники. Важным фактором в выведении нового сорта является его засухоустойчивость. (Генкель П.А. 1968 г.) Развитие и выживание растений в любых условиях гораздо сильнее зависит от доступности воды, чем от какого-либо ино­го фактора внешней среды. Примерно '/з поверхности суши за­нимают области, где обнаруживается дефицит влаги; половина этой площади (около 12% поверхности Земли) является крайне засушливой. Районы с избытком осадков занимают менее 9% поверхности суши. Многие сельскохозяйственные районы расположены в аридных зонах, где земледелие возможно только благодаря искусственному орошению. На протяжении многих лет считалось доказанным, что в пересыхающей почве вода доступна растениям до тех пор, пока содержание влаги в ней не достигнет коэффициента устой­чивого завядания, когда в почве остается недоступная расте­нию вода. Согласно этой точке зрения физиологические про­цессы, рост и развитие растений на почве, подвергающейся иссушению, протекают нормально до достижения коэффи­циента завядания. Однако накоплено много данных, по­казывающих, что на обмен веществ, а следовательно, на рост и развитие растений влияет даже слабый водный дефицит. Та­кой внутренний водный дефицит возникает в тканях задолго до того, как содержание влаги в почве приблизится к уровню коэффициента завядания. Растения, перенесшие только однократную сильную кратко­временную засуху, так и не возвращаются к нормальному об­мену веществ. Внутренний водный баланс растения зависит от комплекса факторов, связанных: а) с самим растением (засухо­устойчивость, глубина проникновения и ветвление корней, фаза развития); б) с количеством растений на данной площади; в) с климатическими факторами (потери воды на испарение и транспирацию, температура и влажность воздуха, туман, ве­тер и свет, количество осадков и т. д.); г) с почвенными факто­рами (количество воды в почве, осмотическое давление почвен­ного раствора, структура и влагоемкость почвы и др.). Дефицит влаги в растениях действует на такие процессы, как поглощение воды, корневое давление, прорастание семян, устьичные движения, транспирация, фотосинтез, дыхание, фер­ментативная активность растений, рост и развитие, соотноше­ние минеральных веществ и др. Изменяя обмен веществ, недо­статок воды влияет на продуктивность, вкус плодов, плотность древесины, и т.д. (Генкель П.А. 1964 г.) Исследования по этому вопросу ведутся во многих НИИ нашей страны, стран СНГ и за рубежом. Изучение мутантных и гибридных форм яблони по признаку засухоустойчивости, явилось целью для проведения исследований. 1.Состояние вопроса. 1.1 Значение яблони как культуры, ее биология и требования к почвенно-климатическим условиям. Садоводство – одна из основных отраслей сельского хозяйства России. Самой распространенной культурой является яблоня, т. к. яблоки – незаменимый продукт питания и сырье для перерабатывающей промышленности. Плоды яблони многих сортов отличаются исключительными вкусовыми качествами и лечебными свойствами. Питательные достоинства плодов обусловлены содержанием углеводов (15 – 19 %), белков, жиров, витаминов, ферментов, гормонов, минеральных и других веществ. Вкус и аромат плодов связаны с наличием органических кислот (в основном яблочной и лимонной) и эфирных масел – веществ, вызывающих у человека аппетит и задерживающий старение организма. В плодах и ягодах содержание важнейших витаминов, как правило, незначительное, но в сочетании с другими веществами, они играют очень важную роль. Так, провитамин А, фолиевая кислота и Р-активные соединения яблок в сочетании с витамином С и пектином способны связывать радиоактивные вещества и выводить их из организма. Для полного питания человеку в среднем на год необходимо 40 кг яблок (С.И. Лебедев, 1982 г.) Яблоки – один из важнейших отечественных видов фруктов – представляет собой плоды яблони (Malus Sylvestris), относящейся к подсемейству яблоневых, семейства розанных, в котором насчитывается 25 – 30 видов. В культуре распространен искусственно созданный вид – яблоня домашняя (Malus Domestica). Известно свыше 10 тысяч сортов, полученных в результате естественной и искусственной гибридизации, спонтанного и искусственного мутагенеза с последующим отбором. Яблоня – исключительно урожайная культура. В среднем получают 80 – 120 ц/га, а в передовых хозяйствах – более 200 ц/га плодов. При хорошем уходе каждое дерево дает 150 – 200 кг, а иногда 300 – 400 кг плодов. Деревья яблони в зависимости от сорта и подвоя достигают высоты 6 – 10 м. Это перекрестно опыляющиеся растения: чтобы завязать плоды, нужно опыление цветков пыльцой другого сорта. Скороплодные сорта начинают плодоносить на 4 – 5 год после посадки, поздно вступающие в плодоношение – на 10 – 12 год. В последние годы в нашей стране при размножении яблони используют слаборослые подвои, которые дают возможность получать невысокие деревья, удобные для ухода и уборки урожая. (Дорошенко Т.Н., 1996 г.) В зависимости от времени созревания плодов сорта яблони делят на летние, осенние, зимние. Плоды летних сортов (Китайка золотая ранняя, Папировка, Белый налив) созревают в июле – августе; осенних (Коричневое полосатое, Осеннее полосатое, Боровинка, Анис алый, Анис полосатый) – в сентябре; плоды зимних сортов (Антоновка, Апорт, Ренет Симеренко, Кальвиль Снежный, Пепин шафранный) снимают с деревьев в сентябре. У яблони различают надземную часть и корневую систему. Надземная часть состоит из штамба и кроны. Штамб – нижняя часть ствола между корневой шейкой и первой боковой ветвью, крона – совокупность всех разветвлений надземной части плодового дерева (рис. 1). Ствол скелетные и полурослые ветви яблони несут на себе мелкие ростовые и плодовые образующие веточки, которые называются также новообразованиями. Различают следующие типы новообразований в кроне. Побеги – однолетние приросты текущего года с листьями. Побег состоит из стебля и листьев. Лист является органом, в котором происходят важнейшие физиологические процессы – фотосинтез, транспирация и газообмен. В кроне семечковых плодовых пород, помимо ростковых побегов, имеются следующие типы образующихся веточек: плодовые прутики – однолетние приросты длиной более 15 – 20 см, у которых верхушечная почка репродуктивная (плодовая, цветковая), а боковые – вегетативные; копьеца – однолетние приросты длиной от 3 – 5 до 12 – 15 см, у которых на верхушке может быть плодовая или вегетативная почка, боковые почки - вегетативные; кольчатки – укороченные (от 3 до 5 см) образования различного возраста (1 – 5 лет) с недоразвитыми боковыми почками и одной верхушечной; плодушки – многолетние (3 – 6 лет) образования, возникающие после плодоношения кольчатых и образования у них плодовых сумок (разросшаяся ось плодовой почки с побегом замещения), плодухи – более старые (от 6 – 8 до 12 – 18 лет) разветвленные плодовые образования, состоящие из кольчаток, подушек и плодовых прутиков. Почки бывают вегетативные (образуют побеги и розетку листьев), репродуктивные или цветочные (образуют цветки) и смешанные (образуют цветки и вегетативные побеги). У одного и того же дерева плодовые цветочные почки крупнее и более круглой формы, чем вегетативные (Ю.В. Крысанов, 1983 г.). Корневая система плодового растения выполняет следующие функции: закрепляет и удерживает его в почве, всасывает и проводит в надземную часть воду и растворенные в ней вещества, служит местом запаса питательных веществ. Кроме того, в корнях во взаимодействии с надземной частью происходит синтез рода важных веществ (органические кислоты, витамины, ферменты). Для получения высоких и устойчивых урожаев необходимо не только знание биологических особенностей сортов и пород, но и отношение их к условиям внешней среды, которые оказывают огромное влияние на рост, развитие и плодоношение плодовых растений. (Будаговский В.И., 1954). 1.2 Отношение растений яблони к водному дефициту Вода – одно из основных условий жизнедеятельности растений. Вода входит составной частью во все органы плодовых и ростовых образований, участвует в создании органического вещества (в процессе фотосинтеза). В воде растворяются минеральные соли, и вместе с ней через корни поступает в растения. Вода поддерживает в тканях растений необходимый тургор, регулирует тепловое состояние растений, участвует в процессе построения и жизнедеятельности клеток всего растения. (Кушниренко М.Д., 1975). Около трети поверхности суши испытывает дефицит влаги (годовое количество осадков 250—500 мм), а половина этой площади крайне засушлива (годовые осадки ниже 250 мм и ис­паряемость более 1000 мм). Для развития растений существен­но, чтобы осадки относительно равномерно распределялись во время периодов активного роста. Однако в районах неустойчивого увлажнения часто бывают засушливые периоды именно в летние месяцы. Засуха возникает как результат достаточно длительного от­сутствия дождей, сопровождается высокой температурой воз­духа и солнечной инсоляцией. Чаще она начинается с атмос­ферной засухи, характеризующейся низкой относительной влажностью воздуха. При длительном отсутствии дождей к ат­мосферной засухе добавляется почвенная засуха в связи с уменьшением (исчезновением) доступной для растений воды в почве. Во время суховея (атмосферная засуха, сопровождае­мая сильным ветром) почвенная засуха может не возникать. В условиях засухи растения испытывают значительный водный дефицит. Влияние водного дефицита на метаболические процессы в значительной мере зависит от длительности его действия. При устойчивом завядании растений увеличивается скорость распада РНК, белков и одновременно возрастает количество небелковых азотсодержащих соединений и отток их в стебель. В результате в условиях засухи содержание белков в листьях относительно уменьшается, а в семенах — уве­личивается.(Генкель П.А. 1982 г.) Влияние водного дефицита на углеводный обмен выражает­ся вначале в снижении содержания моно- и дисахаридов в фотосинтезирующих листьях из-за снижения интенсивности фото­синтеза, затем количество моносахаридов может возрастать как следствие гидролиза полисахаридов листьев нижних яру­сов. При длительном водном дефиците наблюдается уменьше­ние количества всех форм сахаров. Длительный водный дефицит снижает интенсивность фото­синтеза и, как следствие, уменьшает образование АТФ в про­цессе фотосинтетического фосфорилирования. Под влиянием почвенной и атмосферной засухи тормозится также отток про­дуктов фотосинтеза из листьев в другие органы. ( Шило А.А., 1997). В условиях оптимального водоснабжения наблюдается по­ложительная корреляция между интенсивностью дыхания и ко­личеством фосфорилированных продуктов. Водный дефицит по-разному сказывается на дыхании листьев разного возраста: в молодых листьях содержание фосфорилированных продуктов резко падает, как и интенсивность дыхания, а у листьев, закон­чивших рост, эта разница четко не проявляется. При дефиците воды снижается дыхательный коэффициент. Необходимо отметить, что в условиях водного дефицита верхние листья, в которых за счет некоторого усиления гидролитических процессов увеличивается содержание осмотически активных веществ, оттягивают воду от нижних листьев и дольше сохраняют ненарушенными синтетические процессы, а нижние листья в этих условиях засыхают раньше верхних; Очевидно, в аридных и близких к ним зонах для сельскохозяйственных культур важно знать физиологические показатели, характеризующие водный режим тканей, и, пользуясь ими, определять срок полива и его продолжительность. Недостаток воды в тканях растений создается, когда расход воды при транспирации превышает ее поступление. Водный дефицит может возник­нуть в жаркую солнечную погоду к середине дня, при этом уве­личивается сосущая сила листьев, что активирует поступление воды из почвы. Растения регулируют уровень водного дефици­та, меняя отверстость устьиц. Обычно при завядании листьев водный дефицит их восстанавливается в вечерние и ночные часы (временное завядание). Глубокое завядание наблюдается при отсутствии в почве доступной для растения воды. Это завядание чаще всего приводит растения к гибели. При обезвоживании у растений, не приспособленных к засу­хе, значительно усиливается интенсивность дыхания (возмож­но, из-за большого количества субстратов дыхания — сахаров), а затем постепенно снижается. У засухоустойчивых растений в этих условиях существенных изменений дыхания не наблю­дается или отмечается небольшое усиление. В условиях водного дефицита быстро тормозятся клеточное деление и особенно растяжение, что приводит к формированию мелких клеток. Вследствие этого задерживается рост самого растения, особенно листьев и стеблей. Рост корней в начале за­сухи даже ускоряется и снижается лишь при длительном недо­статке воды в почве. Корни реагируют на засуху рядом за­щитных приспособлений: опробковением, суберинизацией экзо­дермы, ускорением дифференцировки клеток, выходящих из меристемы, и др. Таким образом, недостаток влаги вызывает значительные и постепенно усиливающиеся изменения большинства физиоло­гических процессов у растений, в том числе растений яблони. Во время засухи наряду с обезвоживанием происходит перегрев растений. При действии высоких температур (35 °С и выше) наблюдают­ся два типа изменения вязкости цитоплазмы: чаще увеличение, реже снижение. Возрастание вязкости цитоплазмы замедляет ее движение, но процесс обратим даже при 5-минутном воздействии температуры 51 °С., высокая температура увеличи­вает концентрацию клеточного сока и проницаемость клеток для мочевины, глицерина, эозина и других соединений. В ре­зультате экзосмоса веществ, растворенных в клеточном соке, постепенно снижается осмотическое давление. Однако при тем­пературах выше 35 °С вновь отмечается рост осмотического да­вления из-за усиления гидролиза крахмала и увеличения содер­жания моносахаров. При этом потеря свойства полупроницаемости тонопласта (оцениваемая по выходу антоциана) вызывается лишь кратковременным действием очень высоких температур (57—64°С). Процесс фотосинтеза более чувствителен к действию высо­ких температур, чем дыхание. Гидролиз полимеров, в частности белков, ускоряющийся при водном де­фиците, значительно активируется при высокотемпературном стрессе. Распад белков идет с образованием аммиака, который может оказывать отравляющее действие на клетки у неустой­чивых к перегреву растений. У жаростойких растений наблю­дается увеличение содержания органических кислот, связываю­щих избыточный аммиак. Еще одним способом защиты от перегрева может служить усиленная транспирация, обеспечи­ваемая мощной корневой системой. В других случаях (суккуленты) жаростойкость определяется высокой вязкостью цито­плазмы и повышенным содержанием прочно связанной воды. При действии высоких температур в клетках растений индуци­руется синтез стрессовых белков (белков теплового шока) (Гудковский В.А., 1999 г.) В сельскохозяйственной практике для повышения жароу­стойчивости растений применяют внекорневую обработку 0,05%-ным раствором солей цинка. Как уже отмечалось, не­благоприятное действие засухи состоит в том, что растения ис­пытывают недостаток воды или комплексное влияние обезво­живания и перегрева. Растения используют три основных способа защиты: 1) предотвращение излишней потери воды клетками (избегание высыхания), 2) перенесение высыхания, 3) избегание периода засухи. Наиболее общими являются приспособления для сохранения воды в клетках. При этом на ранних этапах засухи, по-видимому, главную роль играет стремительное возрастание содержания ингибито­ров роста, поскольку даже в условиях сбалансированного во­доснабжения клеток срочные реакции закрывания устьиц у рас­тений осуществляются за счет ускоренного (в течение несколь­ких минут при водном дефиците 0,2 МПа) увеличения содержания АБК. Пороговые величины водного по­тенциала, вызывающие увеличение АБК у растений, могут зависеть от степени засухоустойчивости растений. Содержание гормо­на в тканях в среднем увеличивается на порядок со скоростью 0,15 мкг/г сырой массы в час. Закрывание устьиц уменьшает потерю воды через транспирацию. Кроме того, АБК способ­ствует запасанию гидратной воды в клетке, поскольку активи­рует синтез пролина, увеличивающего оводненность белков клетки в условиях засухи. АБК тормозит также синтез РНК и белков, накапливаясь в корнях, задерживает синтез цитоки­нина. Таким образом, увеличение содержания АБК при водном дефиците уменьшает потерю воды через устьица, способствует запасанию гидратной воды белками и переводит обмен ве­ществ клеток в режим «покоя». В условиях водного стресса отмечается значительное выде­ление этилена. Выяснено, что водный стресс увеличивает актив­ность синтетазы 1-аминоциклопропанкарбоновой кислоты, ката­лизирующей ключевую реакцию биосинтеза этилена. При улуч­шении водного режима выделение этилена возвращается к норме. У многих растений при действии засухи (воздушной и почвенной) обнаружено также накопление ингибиторов роста фенольной природы (хлорогеновой кислоты, флавоноидов, фенолкарбоновых кислот). Отмеченные выше изменения содержания фитогормонов-ингибиторов наблюдаются у растений при засухе. Снижение содержания гормонов-активаторов роста, в частности ИУК, происходит, по-видимому, вслед за останов­кой роста. Уменьшение ауксина в тканях при засухе может быть связано с низким содержанием его предшественника — триптофана, а также с подавлением транспорта ауксинов по растению. Обработка растений в усло­виях засухи растворами ауксина, цитокинина, гиббереллина усугубляет отрицательное действие засухи. Однако опрыскива­ние растений цитокинином в период восстановления после за­сухи значительно улучшает состояние растений. Кроме того, цитокинин увеличивает жаростойкость растений (в частности улучшает всхожесть семян). Как предполагает Л.И. Вигоров (1971), это защитное действие цитокининов может быть связа­но с их влиянием на структурное и функциональное состояние макромолекулярных компонентов клетки, в частности на мем­бранные системы. Засухоустойчивость сельскохозяйственных растений повы­шается в результате предпосевного закаливания (П. А. Генкель, 1982). Адаптация к обезвоживанию происходит в семенах, которые перед посевом после однократного намачивания вновь высушиваются. Для растений, выращенных из таких семян, ха­рактерны морфологические признаки ксероморфности, корре­лирующие с их большей засухоустойчивостью. Эффективное управление водообменном является важнейшим звеном продуктивности растений и определяется уровнем познания механизмов его регуляции. Большую роль в формировании водного гомеостаза в тех или иных условиях играют не только структурные, адсорбционные и другие механизмы удерживания воды на организменном уровне, но и особенности диффузной и осмотической проницаемости клеточных мембран, которые в значительной мере должны определять эту способность. (Грязев В.А., 1992). Не смотря на более чем вековую историю изучения физиологии водообмена очень мало прогресса наблюдается в использовании этой информации в селекции. Пристальное давнее внимание исследователей к изучению водообмена растений обусловлено большой важностью и многогранностью функций, которые он выполняет, а именно: