На правах рукописи
ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКА УСТОЙЧИВОСТИ СОРТОВ И ФОРМ
ЯБЛОНИ К АБИОТИЧЕСКИМ СТРЕССОРАМ МЕТОДОМ
ИНДУЦИРОВАННОЙ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ ХЛОРОФИЛЛА
Специальность – селекция и семеноводство
сельскохозяйственных растений
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата сельскохозяйственных наук
Мичуринск-наукоград РФ – 2013
Работа выполнена в ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт генетики и селекции плодовых растений имени Российской академии сельскохозяйственных наук
Научный руководитель: | доктор сельскохозяйственных наук, профессор, академик РАСХН
|
Официальные оппоненты: |
доктор сельскохозяйственных наук, профессор, ФГБОУ ВПО Мичуринский государственный аграрный университет / кафедра химии, заведующий
кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, ФГБОУ ВПО Тамбовский государственный университет имени / Институт естествознания, кафедра экологии и безопасности жизнедеятельности, доцент |
Ведущая организация: | ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт садоводства им. |
Защита диссертации состоится 11 сентября 2013 года в 1530 на заседании диссертационного совета Д 220.041.01 при Мичуринском государственном аграрном университете Тамбовская обл., г. Мичуринск, . Тел./
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МичГАУ, с авторефератом – на сайте университета: http://www. *****, а также на сайте Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки РФ http://www. vak. *****
Автореферат разослан 9 августа 2013 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные и скрепленные гербовой печатью, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета.
Ученый секретарь
|
|
диссертационного совета Д 220.041.01 кандидат с.-х. наук, доцент
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Яблоня – самая распространенная плодовая культура в России. Это обусловлено такими ее особенностями как скороплодность, высокая урожайность, ценный биохимический состав плодов.
Однако воздействие на растения неблагоприятных абиотических факторов среды служит причиной снижения продуктивности плодовых насаждений. К таким факторам относятся техногенное загрязнение углеводородами, сернистым ангидридом, озоном, радионуклидами, фтористым водородом, тяжелыми металлами, пестицидами (Гудковский, 1999). Так же важный фактор, влияющий на продуктивность – нестабильные погодные условия, например, наметившаяся тенденция к повышению среднегодовых температур.
Поэтому вопрос оценки степени устойчивости плодовых растений, в том числе и яблони, как самой популярной культуры, к неблагоприятным действиям окружающей среды имеет огромное значение. Ведущая роль при диагностике уровня толерантности растений должна принадлежать неразрушающим экспресс-методам, использование которых позволяет оценивать в динамике ответные реакции одного и того же объекта на длящееся воздействие стрессового фактора. Использование таких методов дает возможность оптимизировать селекционный процесс, для получения генотипов устойчивых к деструктивному действию стрессоров различной природы.
Цель и задачи исследований. Цель работы – изучение устойчивости сортов и форм яблони к абиотическим стрессорам методом индуцированной флуоресценции хлорофилла, выделение наиболее толерантных генотипов. Сравнение эффективности применения анализа быстрой и медленной фаз индуцированной хлорофиллфлуоресценции для комплексной оценки устойчивости яблони к неблагоприятным абиотическим факторам.
Задачи исследований:
· оценить устойчивость изучаемых генотипов яблони к неблагоприятным абиотическим факторам общепринятыми методами и методом индукции флуоресценции хлорофилла;
· провести сравнительный анализ данных, полученных при изучении быстрой и медленной фаз индуцированной флуоресценции хлорофилла, дать оценку их разрешающей способности и уровню корреляции с данными, полученными общепринятыми методами;
· установить потенциал засухоустойчивости и жаростойкости изучаемых сортов и форм;
· выявить степень солеустойчивости изучаемых генотипов;
· установить потенциал устойчивости сортов и форм яблони к негативному действию ксенобиотиков (пестициды, соли тяжелых металлов);
· определить степень устойчивости изучаемых генотипов к низким температурам в середине зимовки;
· оценить устойчивость цветков яблони к весенним заморозкам.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Применение метода индуцированной флуоресценции хлорофилла для оценки устойчивости яблони к абиотическим стрессорам.
2. Использование медленной фазы индуцированной хлорофиллфлуоресценции как наиболее чувствительного способа оценки устойчивости фотосинтетического аппарата яблони.
3. Потенциал устойчивости сортов и форм яблони к неблагоприятным абиотическим факторам среды.
4. Генисточники высокой устойчивости к абиотическим стрессорам.
Научная новизна и практическая ценность работы.
Проведена диагностика устойчивости сортов и форм яблони к негативному действию абиотических факторов общепринятыми методами и методом индуцированной флуоресценции хлорофилла (ИФХ). Установлено наличие высоких значений коэффициентов корреляции между традиционными методами диагностики и методом индуцированной флуоресценции хлорофилла. Выявлена наибольшая чувствительность и разрешающая способность метода оценки медленной стадии ИФХ по сравнению с анализом быстрой. Установлен потенциал устойчивости сортов и форм яблони к абиотическим стрессорам. Наиболее устойчивые генотипы рекомендованы для использования в селекции.
Апробация работы. Результаты исследований представлены на VIII и X международных научных конференциях «Агроэкологические аспекты устойчивого развития АПК» (Брянск, 2011, 2013), международной научно-практической конференции «Реализация биологического потенциала плодовых и ягодных растений в нестабильных условиях внешней среды» (Москва, 2011), международной научно-практической конференции «Фотоника в сельском хозяйстве и природопльзовании» (Москва, 2012), международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы защиты садовых культур от вредных организмов» (Москва, 2013), а также на заседаниях Ученого совета ГНУ ВНИИГиСПР им. ().
Публикации материалов исследований. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 5 из них в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 135 страницах машинописного текста, состоит из введения, 7 глав, выводов, рекомендаций для селекции, содержит 26 таблиц и 43 рисунка. Список использованной литературы включает 235 источников, из них 33 на иностранных языках.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Условия, объекты и методика проведения исследований. Работа выполнена в ГНУ ВНИИГиСПР им. Россельсхозакадемии за период с 2009 по 2012 год.
Климат места проведения исследований умеренно континентальный. Периоды вегетации всех лет исследований характеризовались превышением среднемесячных температур, по сравнению со среднемноголетними. Самый жаркий период зафиксирован в 2010 году. Лето 2010 года было самым засушливым периодом, за годы исследований. С июня по сентябрь этого года осадков выпало в 3,5 раза меньше чем за аналогичный период по многолетним данным. Зимние среднемесячные значения температур были выше среднемноголетних, за исключением января 2010 года и февраля 2011 и 2012 годов. В целом температурный режим зимних месяцев всех лет исследований нельзя назвать критическим для перезимовки яблони. Хотя на зимостойкость в 2011 году некоторое влияние могло оказать аномально жаркое и засушливое лето 2010 года.
Биологическими моделями исследования служили 7 генотипов яблони: сорта Гала, Мелба, Свежесть, Скала, гибриды 10-16 и 27-96(2), отборная видовая форма Якутская 1.
Максимальную морозостойкость яблони в середине зимовки определяли согласно «Методическим рекомендациям по ускоренной оценке зимостойкости плодовых культур» (Тюрина, Гоголева, 1978).
Устойчивость цветков изучаемых генотипов оценивали, применяя методические рекомендации, приведенные в книге «Предварительный отбор перспективных генотипов плодовых растений на экологическую устойчивость и биохимическую ценность» (Мичуринск, 2007).
Диагностику засухоустойчивости и жаростойкости проводили путем изучения показателей водного баланса листовых пластин в моделируемых условиях засухи, согласно методике (1965) с модификацией (2007).
Диагностику солеустойчивости проводили, используя методику (1970), в модификации лаборатории физиологии и биохимии ВНИИГиСПР, применяя балльную оценку поражения в зависимости от площади некротизации листовых пластин.
Оценку устойчивости к солям тяжелых металлов проводили согласно методическим рекомендациям «Предварительный отбор перспективных генотипов плодовых растений на экологическую устойчивость и биохимическую ценность плодов» , , (2007).
Токсическое действие пестицидов изучали, используя высечки листовых дисков, которые инкубировались в чашках Петри на рассеянном свете в растворах пестицидов и в дистиллированной воде, используемой в качестве контроля.
Параллельно с рекомендуемыми в используемых методиках способами оценки в качестве диагностического критерия использовали параметры индуцированной флуоресценции хлорофилла. Быструю стадию измеряли при помощи хлорофиллфлуориметра PAM-JUNIOR (Heinz Walz GmbH., Германия). Медленную фазу – используя прибор ЛАТ-2К (Россия).
При изучении быстрой фазы кривой Каутского измеряли максимальный квантовый выход. При изучении медленной стадии ИФХ рассчитывался коэффициент фотосинтетической активности, который выражает эффективность утилизации света при фотосинтетическом процессе. Также при изучении медленной фазы кривой Каутского использовали динамический показатель, характеризующий скорость спада флуоресценции.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.Потенциал засухо - и жаростойкости сортов и форм яблони
1.1. Засухоустойчивость изучаемых сортов и форм яблони
Изучение водного режима листьев в моделируемых условиях засухи показало, что наибольшей водоудерживающей способность обладают видовая форма Якутская 1 и гибрид 27-96(2). Наименьшая водоудерживающая отмечена у гибрида 10-16. Наибольшей степенью восстановления оводненности после насыщения характеризовались сорта Мелба и Гала, близки к ним гибрид 27-96(2) и форма Якутская 1.
В результате изучения водного дефицита листьев исследуемых сортов и форм непосредственно из сада, отмечено минимальное значение этого показателя у гибридной формы 27-96(2) и максимальное у сорта Мелба
По итогам изучения параметров быстрой стадии индуцированной флуоресценции хлорофилла, наибольшим снижением удельной фотосинтетической активности (УФА) относительно контроля после подвядания характеризовались сорта Скала и гибрид 10-16. Наименьшим понижением характеризовался гибрид 27-96(2). Последующее насыщение не вызвало восстановления значения удельной фотосинтетической активности листьев до контрольного уровня у всех исследуемых сортов и форм. Значение УФА после насыщения, равное ее значению после подвядания зафиксировано у гибрида 27-96(2). Наибольшее снижение активности фотосистемы относительно контрольного после насыщения установлено у гибрида 10-16, а также сортов Скала, Гала и Свежесть (рис. 1).
Рис. 1. Изменения параметров быстрой фазы индуцированной флуоресценции листьев изучаемых сортов и форм при завядании с последующим насыщением.
В результате анализа параметров медленной фазы индуцированной флуоресценции хлорофилла, наименьший спад значения УФА после подвядания отмечен у гибрида 27-96(2). Наибольший спад зафиксирован у сорта Скала и гибрида 10-16. Насыщение не вызвало восстановления функциональной активности у изучаемых генотипов до уровня контроля. Наименьший спад после насыщения отмечен у гибрида 27-96(2) и сортов Гала и Свежесть. Наибольшее снижение зафиксировано у гибрида 10-16 и сорта Скала. Аналогичные данные получены при изучении изменений динамического показателя медленной фазы индуцированной флуоресценции хлорофилла при моделировании засухи (рис. 2).
|
|
а | б |
Рис. 2. Изменения параметров медленной фазы индуцированной флуоресценции листьев изучаемых сортов и форм при завядании с последующим насыщением: а – коэффициент фотосинтетичекой активности; б – динамический показатель.
1.2. Сравнительный анализ данных ИФХ при диагностике засухоустойчивости
По результатам математической обработки данных ИФХ, полученных при диагностике засухоустойчивости сортов и форм яблони, можно сделать вывод о наличии высоких значений коэффициента корреляции между параметрами медленной и быстрой фаз ИФХ (табл. 1).
Таблица 1. Корреляционные связи между параметрами индуцированной флуоресценции
хлорофилла на фоне моделируемых в лаборатории условий засухи.
Корреляционные связи между показателями ИФХ | Стадии эксперимента | |
Завядание | Насыщение | |
Быстрая фаза – медленная фаза | 0,81 | 0,62 |
Быстрая фаза – медленная фаза (динамический показатель) | 0,75 | 0,60 |
Медленная фаза – медленная фаза (динамический показатель) | 0,93 | 0,91 |
Для сравнения чувствительности медленной и быстрой фаз ИФХ было посчитано отношение максимального значения оценок к минимальному среди всей выборки изучаемых генотипов. Этот параметр позволяет оценить размах варьирования значений флуоресценции хлорофилла после каждой стадии эксперимента среди всех исследуемых сортов и форм, чем отношение между крайними значениями больше, тем больше разрешающая способность метода. Как видно из данных, приведенных в таблице 2, медленная стадия более чувствительная, чем быстрая. Причем наиболее эффективным способом оценки является измерение динамического показателя, характеризующего скорость изменения квантового выхода фотосинтеза в медленной фазе ИФХ.
Таблица 2. Отношение максимального значения оценок ИФХ к минимальному среди всей выборки изучаемых генотипов на фоне моделируемых в лаборатории условий засухи.
Быстрая фаза | Медленная фаза | Медленная фаза (динамический показатель) | |
Контроль | 1,04 | 1,41 | 1,72 |
После подвядания | 1,29 | 2,07 | 2,42 |
После насыщения | 1,61 | 1,86 | 2,88 |
1.3. Жаростойкость изучаемых сортов и форм яблони
В результате изучения водного режима при моделировании деструктивного действия высоких температур, отмечено, что у всех изучаемых генотипов потеря воды находится в пределах от 19 до 23 %. Лучшими показателями этого критерия характеризовался сорт Свежесть, большая среди всех водопотеря была установлена у сорта Мелба. После насыщения самые высокие значения степени восстановления оводненности, по сравнению с другими изучаемыми сортами и формами, зафиксированы у сортов Гала, Мелба и Свежесть.
При диагностике жаростойкости методом индуцированной флуоресценции хлорофилла, по итогам измерения параметров быстрой фазы установлено, что среди всех изучаемых генотипов наименьшие отклонения от контроля после теплового шока с последующим подвяданием и насыщением имели сорта Гала, Свежесть и гибрид 27-96(2). Наибольшее снижение удельной фотосинтетической активности относительно контроля имели сорт Мелба и видовая форма Якутская 1. Важно отметить, что у всех исследуемых сортов и форм уровень УФА не восстановился до контрольного после насыщения (рис. 3).
Рис. 3. Оценка жаростойкости сортов и форм яблони методом ИФХ – анализ быстрой фазы.
Сходные данные были получены при анализе медленной стадии индуцированной флуоресценции хлорофилла. Наименьшими изменениями удельной фотосинтетической активности относительно контроля после всех стадий эксперимента характеризовались сорта Гала, Свежесть и гибрид 27-96(2). Наибольший спад УФА отмечен у сорта Мелба и гибрида 10-16. В результате анализа данных, полученных при изучении динамического показателя, можно так же сделать вывод о наибольшей устойчивости фотосинтетического аппарата к высоким температурам у сортов Гала, Свежесть и гибрида 27-96(2) (рис. 4).
|
|
а | б |
Рис. 4. Оценка жаростойкости сортов и форм яблони методом ИФХ: а – анализ медленной фазы; б – анализ динамического показателя медленной фазы.
В рамках изучения жаростойкости был проведен эксперимент по оценки деструктивного эффекта действия света, усиливающего тепловой шок. Листья изучаемых генотипов были погружены черешками в бюксы с водой, что обеспечивало им возможность транспирировать. Прогревание проводили в темноте и при освещении близком к таковому в ясный летний день. Полученные данные при изучении фотосинтетической активности после прогревания позволяют сделать вывод, что свет оказывает дополнительный деструктивный эффект, что необходимо учитывать при разработке методов диагностики жаростойкости.
1.4. Сравнительный анализ данных ИФХ при диагностике жаростойкости
Между данными, полученными при диагностике жаростойкости изучаемых генотипов методом индуцированной флуоресценции хлорофилла установлены высокие значения коэффициентов корреляции (табл. 3).
Таблица 3. Корреляционные связи между параметрами индуцированной флуоресценции
хлорофилла при диагностике жаростойкости изучаемых сортов и форм яблони.
Корреляционные связи между показателями ИФХ | Стадии эксперимента | ||
Тепловой шок | Подвядание | Насыщение | |
Быстрая фаза – медленная фаза | 0,61 | 0,91 | 0,90 |
Быстрая фаза – медленная фаза (динамический показатель) | 0,64 | 0,92 | 0,87 |
Медленная фаза – медленная фаза(динамический показатель) | 0,88 | 0,95 | 0,93 |
Значения, полученные при подсчете отношения максимального значения оценок к минимальному среди всей выборки изучаемых генотипов, позволяют сделать вывод о большей чувствительности параметров медленной фазы ИФХ, а именно динамического показателя (табл. 4).
Таблица 4. Отношение максимального значения оценок ИФХ к минимальному, среди всей выборки изучаемых генотипов при диагностики жаростойкости сортов и форм яблони.
Быстрая фаза | Медленная фаза | Медленная фаза (динамический показатель) | |
Контроль | 1,03 | 1,36 | 1,55 |
После теплового шока | 1,32 | 2,37 | 2,27 |
После подвядания | 5,50 | 5,47 | 5,53 |
После насыщения | 8,27 | 8,29 | 9,42 |
2. Устойчивость изучаемых сортов и форм к засолению
2.1. Оценка устойчивости сортов и форм к засолению
При оценке устойчивости генотипов яблони к хлоридному засолению, наименьшая степень некротического поражения при концентрации NaCl 0,3% была отмечена у сорта Гала, близка к нему видовая форма Якутская 1. Наибольшая площадь некротического поражения отмечена у листьев гибрида 27-96(2). При концентрации 0,6% наименьшим уровнем некротизации характеризовались листья сортов Гала, Скала и видовой формы Якутская 1. Наибольшая степень поражения листьев зафиксирована у сорта Мелба (рис. 5, а).
По итогам измерения изменений параметров быстрой фазы индуцированной хлорофиллфлуоресценции при концентрации 0,3% у видовой формы Якутская 1 не отмечено снижения УФА. Наименьшим изменением УФА характеризовались сорта Гала, Свежесть и Скала. Наибольший спад зафиксирован у гибрида 27-96(2). В растворе NaCl с концентрацией 0,6 % наибольший фотоингибирующий эффект отмечен у сорта Мелба. Наименьший спад УФА отмечен у видовой формы Якутская 1 и сорта Гала. У сорта Гала снижение УФА лежало в пределах ошибки относительно контроля(рис. 5, б).
При изучении изменения параметров медленной стадии индуцированной хлорофиллфлуоресценции в растворе с концентрацией NaCl 0,3% наименьшим спадом характеризовались сорта Гала и Свежесть, а также видовая форма Якутская 1. Наибольший деструктивный эффект зафиксирован у гибрида 27-96(2). При нахождение побегов в растворе с концентрацией NaCl 0,6%, наибольший спад удельной фотосинтетической активности зафиксирован у сорта Мелба. Наименьшим снижением функциональной активности выделялись из общей группы сорт Гала и видовая форма Якутская 1 (рис. 5, в).
При измерении динамического показателя медленной фазы индуцированной хлорофиллфлуоресценции в растворе хлорида натрия с концентрацией 0,3%, наибольшей устойчивостью характеризовались сорт Гала, а так же видовая форма Якутская 1. Наибольший спад отмечен у гибрида 27-96(2) – 75%. В растворе хлорида натрия с концентрацией равной 0,6%, наибольшую степень устойчивости согласно изменениям динамического показателя проявили сорт Гала видовая форма Якутская 1, но значения этого показателя у сорта Гала лежат в пределах ошибки. Наибольшим спадом характеризовался сорт Мелба (рис. 5, г).
|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
а | б | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
в | г |
Рис. 5. Оценка устойчивости сортов и форм яблони к хлоридному засолению: а – балльная оценка площади некротического поражения листовых пластин; б – изменения параметров быстрой фазы ИФХ; в – изменения параметров медленной фазы ИФХ; г – изменения динамического показателя медленной фазы ИФХ.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 |
