Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
10
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ФІЗІОЛОГІЇ РОСЛИН І ГЕНЕТИКИ
УДК 632.112:633.491:577.171.7
ФІЗІОЛОГІЧНІ ОСНОВИ ТА СПОСОБИ ПІДВИЩЕННЯ СТІЙКОСТІ КАРТОПЛІ ДО ПОСУХИ
03.00.12 –фізіологія рослин
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата біологічних наук
Київ –
Дисертацією є рукопис
Робота виконана у відділі фізіології водного режиму рослин Інституту фізіології рослин і генетики НАН України, м. Київ
Науковий керівник: член-кореспондент НАН України,
доктор біологічних наук, професор
Григорюк Іван Панасович,
Інститут фізіології рослин і генетики
НАН України,
завідувач відділу
Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, професор,
Гуляєв Борис Іванович,
Інститут фізіології рослин і генетики
НАН України,
провідний науковий співробітник
доктор біологічних наук
Таран Наталія Юріївна,
Київський національний університет
імені Тараса Шевченка,
провідний науковий співробітник
Провідна установа: Національний аграрний університет
Кабінету Міністрів України, м. Київ
Захист відбудеться “ 18 “ жовтня 2001 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.212.01 при Інституті фізіології рослин і генетики НАН України за адресою: 03022, Київ-22, вул. Васильківська, 31/17.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізіології рослин і генетики НАН України.
Автореферат розісланий: “ 15 “ вересня 2001 року.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
кандидат біологічних наук Мордерер Є.Ю.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. На території України майже 15 млн га орних земель розташовано в зонах недостатнього та нестійкого зволоження (Моргун, Григорюк, 1997). В результаті культурні рослини, в тому числі і картопля, порівняно рідко реалізують свій генетичний потенціал, який у посушливі роки може знижуватися на 50% і більше (Чулаков, Пампуха, 1988). Навіть незначне напруження водного балансу порушує метаболічні процеси, що призводить до суттєвого зниження продуктивності рослин (Hsiao, 1973, Генкель, 1982, Kramer, 1983, Cullis, 1984, Rabe, 1990, Lichtenthaler, 1996, Мусієнко, Таран, 1997, Гуляєв, 1997, Косаківська, 1998, Таран, 2001, Григорюк, Мусієнко, 2001). У звязку з цим, вивчення фізіологічної реакції різних генотипів рослин на водний стрес має актуальне теоретичне та практичне значення. В цьому аспекті особливого значення набуває розкриття фізіологічних та молекулярно-біохімічних механізмів стійкості та підвищення адаптивного потенціалу сортів картоплі української селекції до факторів посухи.
Фізіології картоплі присвячена значна кількість робіт (Бузовер, 1966, Вечер, Гончарик, 1973, Власюк, Мицько, 1976, Miller, 1983, Мокроносов, 1985, Lynch, 1989, Zrust, 1994, Ewing, 1995, Григорюк, 1996, Кучко, Мицько, 1997, Борзенкова, 1998, Geigenberger, 1999 та інші). Однак, в літературі обмаль експериментальних даних стосовно вивчення значення фізіологічної реакції різних генотипів картоплі на посуху з врахуванням функціонування ключових ланок метаболізму з позицій системного підходу.
Мета і задачі дослідження. Головною метою наших досліджень було вивчити реакцію сортів картоплі різних екотипів і стиглості на посуху та встановити можливість підвищення їх стійкості за допомогою регуляторів росту.
Для досягнення мети було поставлено наступні задачі:
Обєкт дослідження –фізіологічні критерії оцінки і способи підвищення стійкості сортів картоплі до посухи за допомогою регуляторів росту.
Предмет дослідження –формування неспецифічних адаптаційних реакцій сортів картоплі за умов посухи і дії регуляторів росту.
Методи дослідження –системний підхід у дослідженні параметрів адаптивного потенціалу сортів картоплі методами спектрометрії, тонкошарової хроматографії, газохроматографії.
Наукова новизна одержаних результатів. Досліджено динаміку зміни параметрів водного статусу картоплі протягом тривалої посухи. Виявлено специфічність реакції фотосинтетичного апарату, фітогормонального і амінокислотного пулів в листках сортів картоплі на недостатнє водозабезпечення. Зафіксовано сортові відмінності в реакції пігментного комплексу на водний дефіцит. Показано, що накопичення значної кількості абсцизової кислоти в умовах водного стресу корелює з розвитком посухостійкості і залежить від сортових особливостей картоплі. Встановлено, що акумуляція вмісту етилену в листках сортів картоплі різних екотипів суттєво залежить від рівня їх водозабезпечення. Вперше показано можливість регуляції складових адаптивного потенціалу, зокрема водного режиму, фотосинтетичної активності, фітогормонального комплексу в рослинах за допомогою полімерних регуляторів росту з пролонгованою фітогормональною дією в умовах обмеженого водозабезпечення. Вперше розроблено швидкий і ефективний спосіб оцінки стійкості сортів картоплі до посухи за коефіцієнтами водозатримання, водовідновлення та посухостійкості.
Практичне значення отриманих результатів. Результати роботи поглиблюють уявлення про механізми функціонування регуляторних систем водообміну, фотосинтезу, фітогормонального і амінокислотного пулів в листках сортів картоплі за дії посухи. Вперше розроблено спосіб оцінки стійкості сортів картоплі до посухи. Показано перспективність застосування полімерних регуляторів росту як антистресових засобів для підвищення стійкості, зменшення втрат врожаю і покращення якості бульб в умовах посухи. Отримані результати можуть бути використані в селекції для порівняльної оцінки сортів картоплі на посухостійкість.
Особистий внесок здобувача полягає в оволодінні методами досліджень, опрацюванні даних літератури, підготовці і проведенні експериментів, розробці планів досліджень, обгрунтуванні і статистичній обробці результатів, підготовці до друку наукових робіт. Матеріали дисертаційної роботи одержані автором самостійно або спільно з співробітниками Інституту фізіології рослин і генетики НАН України та Інституту картоплярства УААН. Доля особистої участі дисертанта складає 70%.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася в рамках бюджетних тем відділу фізіології водного режиму рослин Інституту фізіології рослин і генетики НАН України “Дослідження впливу водообміну на адаптивний потенціал рослин в посушливих умовах” (р/№ 0199U000044) та “Вивчення механізмів регуляції посухостійкості рослин в нестабільному середовищі” (р/№ 0101U000629).
Апробація результатів дисертації. Основні наукові результати були представлені на міжнародній науково-практичній конференції “Землеробство ХХІ століття –проблеми та шляхи вирішення” (Київ-Чабани, 1999), міжнародній науковій конференції “Регуляція росту, развитку та продуктивності рослин” (Мінськ, 1999), IV Зїзді товариства фізіологів рослин Росії “Фізіологія рослин –наука III тисячоліття” (Москва, 1999), науково-практичному семінарі молодих вчених та спеціалістів “Вчимося господарювати” (Київ-Чабани, 1999), конференції молодих вчених-ботаніків України“Актуальні проблеми ботаніки та екології” (Чернігів, Седнів, 2000), VII молодіжній конференції ботатаніків в Санкт-Петербурзі (Санкт-Петербург, 2000), VII конференції молодих вчених “Проблеми фізіології рослин і генетики на рубежі третього тисячоліття” (Київ, 2000).
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 15 робіт, з них 8 статей у провідних фахових виданнях та 7 тез доповідей.
Обєм та структура роботи. Дисертаційна робота викладена на 181 сторінках машинописного тексту й складається з вступу, огляду літератури, чотирьох розділів експериментальної частини, заключення, висновків та списку використаної літератури (налічує 298 найменувань). Робота містить 16 рисунків та 30 таблиць.
Даний розділ складається з чотирьох підрозділів, в яких викладено огляд літератури стосовно впливу водного стресу на процеси водообміну, енергозабезпечення, фітогормональну систему в рослинному організмі. На підставі узагальнення літературних даних обгрунтовується необхідність подальшого вивчення регуляції фізіологічних основ і розробки ефективних способів підвищення стійкості картоплі до водного стресу за допомогою регуляторів росту. Визначено і обгрунтовано завдання досліджень.
Об’єктами досліджень обрано ранньо - (Гарт, Бородянська рожева) та пізньостиглі (Темп, Древлянка) сорти картоплі (Solanum tuberosum L.). Рослини вирощували у вегетаційних посудинах Вагнера, місткістю 12 кг абсолютно сухого темно-сірого опідзоленого грунту, вологість якого підтримували ваговим методом на рівні 60% повної вологоємності (ПВ) та природного освітлення. Перед садінням в кожну посудину вносили аміачну селітру, гранульований суперфосфат та сульфат калію (з розрахунку N-100, PO-150 і КО-150 мг/кг грунту). Модельну посуху створювали одночасним припиненням поливу рослин (до 30% ПВ) впродовж 12 діб в критичну до нестачі вологи фазу бутонізації-цвітіння. Після припинення дії посухи вологість грунту в посудинах доводили до 60% ПВ (поновлення поливу). Обробку рослин проводили при температурі 27-29 ºС та відносній вологості повітря 56-60% водними розчинами полістимуліну К (П-К), полістимуліну А-6 (П-А-6) в концентрації 10-4М (22,6 мг/рослину за діючою речовиною) та емістимом С (Е-С) в концентрації 17 мкл/рослину, встановленої дослідним шляхом (Григорюк, 1996).
В листках рослин визначали: вміст води (висушуванням зразків до постійної маси при температурі +105˚С), водний дефіцит (Литвинов, 1951), водний потенціал (Третьяков, 1990), біоелектричну активність (Стадник, Боберский, 1976), інтенсивність фотосинтезу, фотодихання, дихання і продиховий опір (за допомогою інфрачервоного газоаналізатора ОА-5501) (Гуляев, 1983), вміст хлорофілів і каротиноїдів (Починок, 1976), концентрацію зеатину, зеатинрибозиду, індолілоцтової та абсцизової кислот методом тонкошарової хроматографії з використанням сканувального спектроденситометра Camag TLC Scanner ІІ (Швейцарія) (Савінський, 1991). Етилен виділяли газохроматографічним методом (Kurchii, 2000). Амінокислотний пул і біохімічні параметри якості бульб визначали за допомогою інфрачервоного аналізатора моделі 4500 згідно “Програмного комплексу ИКС IAT INTERGROTECH, NEWISI, 1990“.
Продуктивність і врожай сортів картоплі встановлювали при 5-10-кратному повторенні. Одержаний матеріал оброблений статистично (Молостов, 1965).
КІНЕТИКА ПАРАМЕТРІВ ВОДНОГО РЕЖИМУ І БІОЕЛЕКТРИЧНОЇ АКТИВНОСТІ В ЛИСТКАХ СОРТІВ КАРТОПЛІ ЗА ДЕФІЦИТУ ВОЛОГИ ТА ОБРОБКИ РЕГУЛЯТОРАМИ РОСТУ
Встановлено, що тривала посуха індукувала суттєвіше збільшення водного дефіциту (ВД) в листках слабостійких до посухи сортів картоплі. Так, на 12 добу посухи в листках посухостійких сортів Гарт і Темп ВД зростав в 3,7 та 4,2 рази, а в слабостійких - Бородянська рожева і Древлянка в 4,4 та 4,8 рази (рис.1). При цьому слабостійкі сорти картоплі інтенсивніше втрачали воду, внаслідок чого оводненість (ОВ) їх листків знижувалась порівняно з контролем на 32,3 та 36,2%, тоді як в посухостійких –на 21,5 та 24,6%.
ВД рослин визначається вмістом води і її енергетичним статусом, вираженим як загальний водний потенціал (ВП), який в рослинних тканинах становить –,2…-1,3 мПа (Barr, 1968, Slatyer, 1967). За жорсткого дефіциту вологи ВП може знижуватися до –,7 мПа (Григорюк, 1999). Нами показано, що в умовах посухи ВП в листках картоплі зменшувався. Зокрема, слабостійкі сорти відзначалися ширшою амплітудою реакції на посуху за цим параметром. Так, за умов зневоднення (12 доба посухи) ВП у посухостійких сортів Гарт і Темп зменшувався в 2,7 та 2,8 рази, а в слабостійких - Бородянська рожева і Древлянка - в 2,8 та 2,9 рази.
Виявлено, що зростання ВД зумовило значне підвищення коефіцієнту водозатримання (Квз) в листках посухостійких сортів картоплі, ніж у слабостійких. При цьому коефіцієнт водовідновлення (Квв) зменшувався впродовж 12-добової посухи суттєвіше в слабостійких до посухи сортів, тоді як обробка рослин регуляторами росту сприяла підвищенню його величини до контролю. Слід зазначити, що за оптимального водозабезпечення Квз в стійких до посухи сортів був вищий порівняно зі слабостійкими. Нестача вологи зумовила незначне зниження Квз на початку водного стресу. За подальшого зневоднення водозатримувальна здатність клітин зростала у всіх сортів, про що свідчить підвищення Квз із наростанням ВД. Це, очевидно, є наслідком адаптації рослин до жорстких умов вирощування. Однак амплітуда реакції листків до дефіциту вологи в слабостійких до посухи сортів була ширшою порівняно зі стійкими. Зафіксовано, що підвищення Квз супроводжувалось суттєвим зменшенням Квв у листках сортів картоплі протягом посухи. Значніше підвищення водозатримувальної здатності та ступеня відновлення клітин у листках стійких до посухи сортів картоплі зумовило зростання їх коефіцієнту посухостійкості (Кпс), внаслідок чого скорочувалися втрати води. Зокрема, в екстремальних умовах водозабезпечення Кпс у посухостійких сортів зменшувався на 26,2 (Гарт) і 28,4% (Темп), а в слабостійких - на 56,0 (Бородянська рожева) та 58,6% (Древлянка) до контролю (рис. 2).
На підставі отриманих результатів нами розроблено спосіб оцінки стійкості сортів картоплі до посухи за коефіцієнтами:
водозатримання
водовідновлення
посухостійкості
сортів картоплі (Григорюк, Мицько, 2001, р/№ заявки 2001042626 від 18.04.2001 р.).
Квз і Квв пов’язані з фізіологічними параметрами водного режиму рослин наступними залежностями:
Збільшення Квз індукує зростання ВД і вмісту води в листках картоплі. Кореляція між ВД, вмістом води і Квв має складний характер, залежить від співвідношення Квв та Квз. Фукціональний зв’язок запропонованих коефіціентів від параметрів водообміну визначає їх залежність від фази розвитку, сортових особливостей, умов вирощування і дозволяє інтегрально оцінювати водний статус сортів картоплі.
Обробка рослин регуляторами росту зменшувала втрати води в листках картоплі. Зокрема, на 12 добу дії водного стресу у рослин, оброблених регуляторами росту ВД знижувався порівняно з варіантом “посуха” в стійких до посухи сортів картоплі на 2-9, а в слабостійких - на 14-19%. Аналогічна тенденція спостерігалася щодо зміни ОВ і ВП в листках картоплі.
Аналіз зміни амплітуди біоелектричної активності (БЕА) листків ранньостиглих сортів картоплі показав, що протягом 12 добової посухи в них спостерігалася перша фаза реакції - підйом активності, тобто вони помірніше реагували на нестачу вологи порівняно з пізньостиглими і уникали дії посухи завдяки більшим резервам води в материнській бульбі та коротшому вегетаційному періоду. Зміна амплітуди БЕА листків у пізньостиглого стійкого сорту Темп мала дві фази - підйом порівняно з контролем (4 доба посухи) і спад (7 та 12 доба посухи), що пов’язано зі зміною напруженості посухи від слабкої до стресової. В пізньостиглого слабостійкого до посухи сорту Древлянка другу фазу реакції - спад активності виявлено вже на 4 добу дії посухи. Подальше зневоднення зумовило збільшення амплітуди реакції листків даного сорту на нестачу вологи. Такі коливання БЕА в сорту Древлянка за високого і низького ВП листків виникали, певне, внаслідок порушення регуляторних механізмів адаптації в умовах посухи.
Максимальний захисний ефект регуляторів росту для сортів Гарт, Темп і Бородянської рожевої виявився за екстремальних умов водозабезпечення (посуха 12 діб). Обробка рослин регуляторами росту призводила, як правило, до суттєвого звуження амплітуди реакції на водний стрес, що свідчить про реалізацію адаптивного потенціалу і значне поліпшення фізіологічного стану рослин порівняно з варіантом “посуха”. При цьому П-К і Е-С виявилися найефективнішими для ранньостиглих сортів Гарт і Бородянська рожева, а П-А-6 –для пізньостиглих - Темп та Древлянка.
Таким чином, сортова специфіка адаптивного потенціалу картоплі за умов тривалої грунтової посухи формувалася під впливом змін у водообміні і БЕА. Обробка рослин регуляторами росту підвищувала стійкість до нестачі вологи і сприяла повнішому відновленню фізіологічного стану рослин в післястресовий період.
РЕАКЦІЯ ФОТОСИНТЕТИЧНОГО АПАРАТУ СОРТІВ КАРТОПЛІ НА ПОСУХУ ТА ОБРОБКУ РЕГУЛЯТОРАМИ РОСТУ
Встановлено, що зростання ВД листків за тривалої посухи викликало експоненційне зменшення інтенсивності фотосинтезу (ІФ) (рис. 3), яке пропорційне оберненій величині ВД. Значення ВД листків картоплі близько 30-35% є критичними у функціонуванні фотосинтетичного апарату, причому подальше збільшення ВД призводило до різкого зниження фотосинтетичної активності хлоропластів, особливо у слабостійких до посухи сортів картоплі Бородянської рожевої і Древлянки. У листках посухостійких сортів - Гарт і Темп виявлено повільніший спад ІФ за значного ВД, що свідчить про наявність адаптивних реакцій стабілізації енергетичних процесів за умов недостатнього водозабезпечення. В стійкого до посухи ранньостиглого сорту Гарт ІФ зменшувалась на 43,4%, слабостійкого - Бородянська рожева - на 70,9%, в пізньостиглого, стійкого до посухи сорту Темп - на 36,5%, в слабостійкого - Древлянка –на 75,0% до контролю.
- , - , - + -, - + --6, - + -