На правах рукописи
Пимкин Михаил Юрьевич
ЭКСПРЕСС-ДИАГНОСТИКА УСТОЙЧИВОСТИ СОРТОВ И ФОРМ
ЯБЛОНИ К АБИОТИЧЕСКИМ СТРЕССОРАМ МЕТОДОМ
ИНДУЦИРОВАННОЙ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ ХЛОРОФИЛЛА
Специальность 06. 01. 05 – 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 И.В. Мичурина Российской академии сельскохозяйственных наук
| Научный руководитель: | доктор сельскохозяйственных наук, профессор, академик РАСХН Савельев Николай Иванович |
| Официальные оппоненты: | Палфитов Виктор Федорович доктор сельскохозяйственных наук, профессор, ФГБОУ ВПО Мичуринский государственный аграрный университет / кафедра химии, заведующий Брюхина Светлана Александровна кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, ФГБОУ ВПО Тамбовский государственный университет имени Г.Р. Державина / Институт естествознания, кафедра экологии и безопасности жизнедеятельности, доцент |
| Ведущая организация: | ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт садоводства им. И.В. Мичурина |
Защита диссертации состоится 11 сентября 2013 года в 1530 на заседании диссертационного совета Д 220.041.01 при Мичуринском государственном аграрном университете по адресу: 393760, Тамбовская обл., г. Мичуринск, ул. Интернациональная, 101. Тел./факс: (47545) 5-32-13
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МичГАУ, с авторефератом – на сайте университета: http://www.mgau.ru, а также на сайте Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки РФ http://www.vak.ed.gov.ru
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 |  | З.Н. Тарова |
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:
- Применение метода индуцированной флуоресценции хлорофилла для оценки устойчивости яблони к абиотическим стрессорам.
- Использование медленной фазы индуцированной хлорофиллфлуоресценции как наиболее чувствительного способа оценки устойчивости фотосинтетического аппарата яблони.
- Потенциал устойчивости сортов и форм яблони к неблагоприятным абиотическим факторам среды.
- 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. И.В. Мичурина (2009-2012).
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. И.В. Мичурина 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 П.Н. Еремеева (1965) с модификацией В.Г. Леонченко (2007).
Диагностику солеустойчивости проводили, используя методику Б.П. Строганова (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» В.Г. Леонченко, Р.П. Евсеевой, Е.В. Жбановой, Т.А. Черенковой (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.
При оценке устойчивости генотипов яблони к сульфатному засолению, согласно бальной оценке площади некротического поражения, наименьшую степень некротизации при концентрации 0,6% имели листья гибрида 10-16, близки к нему сорта Скала, Мелба и видовая форма Якутская 1. Самый высокий уровень повреждений наблюдался у сорта Гала и гибрида 27-96(2). При концентрации сульфата натрия равной 1,2%, наименьшей степенью некротизации характеризовался сорт Скала. Сорта Гала, Мелба и гибриды 10-16 и 27-96(2) имели площадь поражения листовых пластинок более 50 %.
По итогам измерений быстрой фазы индуцированной хлорофиллфлуоресценции, в растворе Na2SO4 с концентрацией 0,6%, наименьший спад удельной фотосинтетической активности относительно контроля наблюдался у гибрида 10-16. Наибольший фотоингибирующий эффект отмечен у гибрида 27-96(2) и сорта Гала. В растворе с концентрацией 1,2% у сорта Скала функциональная активность фотосистемы при концентрации 1,2% была больше чем при концентрации 0,6%. Мы связываем это с явлением сверхчувствительности. Самый большой спад зафиксирован у гибрида 27-96(2) и сорта Гала.
При изучении параметров медленной фазы ИФХ в растворе с концентрацией Na2SO4, равной 0,6 % наименьший спад был отмечен у сорта Мелба, гибрида 10-16 и видовой формы Якутская. Наибольшее снижение функциональной активности отмечено у сорта Гала. При концентрации сульфата натрия, равной 1,2% у сорта Скала функциональная активность была больше, чем при концентрации 0,6%. Среди остальных генотипов наименьший деструктивный эффект зафиксирован у сорта Скала и видовой формы Якутская 1. Наибольший спад УФА при данной концентрации наблюдался у гибрида 27-96(2) – 69 %.
По анализу изменений динамического показателя в растворе сульфата натрия с концентрацией 0,6% наименьшее падение фотосинтетической активности наблюдалось у сорта Мелба и видовой форма Якутская 1. У гибрида 10-16 оно составило 3 % относительно контроля и значение динамического показателя лежало в пределах ошибки. Наибольший спад зафиксирован у сорта Гала. В растворе с концентрацией 1,2 % у сортов Гала и Скала значения динамического показателя были выше чем при концентрации 0,6%. Среди остальных сортов наибольший спад зафиксирован у гибрида 27-96(2) и сорта Скала 69. Наименьший спад отмечен у видовой формы Якутская 1.
2.2. Сравнительный анализ данных, полученных при диагностике
солеустойчивости сортов и форм яблони
Бальная оценка площади некротического поражения листьев является органолептическим способом оценки, связанным с личным восприятием человека, в отличие от метода ИФХ, который, являясь аппаратным, позволяет произвести количественную оценку устойчивости растения к данному фактору. Фотосинтез является важным физиологическим процессом в жизнедеятельности растения. Он чрезвычайно чувствительным к негативным факторам, действующим на него. Именно это позволяет использовать его изменения на фоне воздействия на растение различного рода стрессоров в качестве диагностического аппарата. Установлено наличие высоких значений коэффициента корреляции между параметрами ИФХ и бальной оценкой некротического поражения листовой ткани (табл. 5).
Отрицательная корреляция между балльной оценкой некротического поражения листовых пластин и значениями ИФХ обусловлена разнокачественностью этих показателей: чем больше некротизация, тем выше бал поражения и меньше значение удельной фотосинтетической активности.
Анализ отношения максимального значения оценок к минимальному среди всей выборки генотипов позволяет сделать вывод о, том что изучение медленной фазы ИФХ является наиболее чувствительным способом оценки степени устойчивости сортов и форм яблони к засолению, то есть позволяет фиксировать более тонкие различия между близкими по степени устойчивости образцами (табл. 6).
Таблица 5. Корреляционные связи между параметрами индуцированной флуоресценции
хлорофилла и балльной оценкой некротизации листьев при диагностике солеустойчивости сортов и форм яблони.
| Корреляционные связи между показателями ИФХ и балльной оценкой некрозов | NaCl | Na2SO4 | ||
| 0,3 % р-р | 0,6 % р-р | 0,6 % р-р | 1,2 % р-р | |
| Быстрая фаза – медленная фаза | 0,88 | 0,73 | 0,80 | 0,78 |
| Быстрая фаза – медленная фаза (динамический показатель) | 0,60 | 0,63 | 0,83 | 0,80 |
| Быстрая фаза – балльная оценка некрозов | -0,75 | -0,71 | -0,82 | -0,62 |
| Медленная фаза – медленная фаза (динамический показатель) | 0,90 | 0,97 | 0,97 | 0,96 |
| Бальная оценка некрозов – медленная фаза | -0,92 | -0,70 | -0,76 | -0,76 |
| Бальная оценка некрозов – медленная фаза (динамический показатель) | -0,86 | -0,67 | -0,75 | -0,73 |
Таблица 6. Отношение максимального значения оценок к минимальному среди всей
выборки изучаемых генотипов при диагностике солеустойчивости.
| Вариант опыта | Быстрая фаза | Медленная фаза | Медленная фаза (динамический показатель) | Балльная оценка некрозов |
| NaCl | ||||
| Контроль | 1,07 | 1,30 | 1,21 | 0 |
| 0,3 % р-р | 1,22 | 2,57 | 3,56 | 3,00 |
| 0,6 % р-р | 8,20 | 22,36 | 50,12 | 1,74 |
| Na2SO4 | ||||
| Контроль | 1,04 | 1,40 | 1,49 | 0 |
| 0,6 % р-р | 1,85 | 2,00 | 2,25 | 1,64 |
| 1,2 % р-р | 2,48 | 2,80 | 3,61 | 1,69 |
3. Потенциал устойчивости изучаемых сортов и форм яблони
к негативному действию ксенобиотиков
3.1. Устойчивость к негативному действию катионов тяжелых металлов
При диагностике степени устойчивости сортов и форм яблони к негативному действию катионов никеля согласно бальной оценке некрозов при меньшей концентрации сильнее всего пострадали листья сортов Гала, Свежесть а так же гибрида 10-16. Не отмечено повреждений и видовой формы Якутская 1. При культивирование побегов в растворе с концентрацией NiCl2 150 мг/л, наблюдалась аналогичная тенденция (рис. 6, а).
При изучении влияния катионов никеля на параметры быстрой фазы индуцированной флуоресценции хлорофилла, наименьшее снижение УФА при концентрации NiCl2 75 мг/л, было выявлено у видовой формы Якутская 1, сорта Скала и гибрида 27-96(2). Наибольший спад относительно контроля зафиксирован у сортов Свежесть и Гала. При культивировании побегов в растворе с концентрацией хлорида никеля 150 мг/л тенденция сохранилась, но у ряда сортов не произошло снижение функциональной активности относительно концентрации 75 мг/л (рис. 6, б).
Согласно данным, полученным при изучении медленной фазы ИФХ в растворе с концентрацией хлорида никеля 75 мг/л, наименьшим спадом УФА характеризовались сорта Скала, Мелба, гибрид 27-96(2) и видовая форма Якутская 1. Наибольшее снижение удельной фотосинтетической активности отмечено у сортов Свежесть и Гала. В растворе с концентрацией 150 мг/л менее всех параметры медленной стадии индуцированной хлорофиллфлуоресценции изменились у видовой формы Якутская 1 и гибрида 27-96(2). Наибольшее снижение удельной фотосинтетической активности в данной концентрации наблюдалось у сортов Свежесть и Гала (рис. 6, в).
| | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
а | б | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
в | г | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Рис. 6. Оценка устойчивости сортов и форм яблони к негативному действию катионов Ni2+:
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.
При культивировании побегов в растворе с концентрацией хлорида никеля 75 мг/л наибольшее изменение динамического коэффициента установлено у сортов Гала, Свежесть и гибрида 10-16. Наименьшие изменения отмечены у видовой формы Якутская 1 и гибрида 27-96(2). При концентрации 150 мг/л наблюдалась аналогичная тенденция по сортам (рис. 6, г).
Катионы кобальта оказали меньший токсический эффект на сорта и формы яблони. При культивировании облиственных побегов в растворе хлорида кобальта с концентрацией 75 мг/л не отмечено повреждений у видовой формы Якутская 1. Наибольшей площадью некротического поражения листовых пластин при данной концентрации характеризовались сорт Свежесть и гибрид 10-16. Нахождение побегов в растворе с концентрацией 150 мг/л не привело к увеличению токсического эффекта, при сохранении общей тенденции.
По итогам измерения параметров быстрой стадии индуцированной хлорофиллфлуоресценции в растворе CoCl2 с концентрацией 75 мг/л, статистически достоверное падение УФА относительно контрольного значения наблюдалось у сортов Мелба, Свежесть и гибрида 10-16. Наибольший спад удельной фотосинтетической активности отмечен у сорта Свежесть. Нахождение побегов в растворе с концентрацией 150 мг/л не вызвало большего фотоингибирующего эффекта по сравнению с побегами находящимися в растворе с концентрацией 75 мг/л.
Согласно данным, полученным при измерении параметров медленной стадии индуцированной хлорофиллфлуореценции при культивировании побегов в растворе CoCl2 с концентрацией 75 мг/л, наибольший спад УФА отмечен у сорта Свежесть. У остальных изучаемых генотипов, за исключением гибрида 10-16, сорта Мелба и видовой формы Якутская 1 значения удельной фотосинтетической активности лежали в пределах ошибки относительно контроля. При нахождении побегов в растворе с концентрацией 150 мг/л статистически достоверное снижение УФА относительно концентрации 75 мг/л зафиксировано только у сорта Мелба.
При изучении показателей динамического коэффициента медленной фазы индуцированной флуоресценции хлорофилла в растворах CoCl2 с концентрацией 75 мг/л установлено статистически достоверное снижение его значений у всех генотипов относительно контрольных значений. Наибольший спад зафиксирован у сорта Свежесть. Наименьшим спадом характеризовались гибрид 27-96(2) и видовая форма Якутская 1. При культивировании побегов в концентрации CoCl2, равной 150 мг/л, наибольший спад зафиксирован у сорта Свежесть, наименьший у гибрида 27-96(2) и сорта Скала.
3.2. Сравнительный анализ данных, полученных при диагностике устойчивости сортов и форм яблони к негативному действию катионов тяжелых металлов
При выявлении степени толерантности сортов и форм яблони к негативному эффекту, оказываемому катионами тяжелых металлов, установлена высокая степень корреляционной зависимости между параметрами индуцированной флуоресценции хлорофилла и балльной оценкой площади некротического поражения листовых пластин (табл. 7).
Таблица 7. Корреляционные связи между параметрами индуцированной флуоресценции
хлорофилла и балльной оценкой некротизации листьев при диагностике солеустойчивости сортов и форм яблони.
| Корреляционные связи между показателями ИФХ и балльной оценкой некрозов | CoCl2 | NiCl2 | ||
| 75 мг/л | 150 мг/л | 75 мг/л | 150 мг/л | |
| Быстрая фаза – медленная фаза | 0,86 | 0,65 | 0,96 | 0,85 |
| Быстрая фаза – медленная фаза (динамический показатель) | 0,96 | 0,67 | 0,95 | 0,91 |
| Быстрая фаза – балльная оценка некрозов | -0,95 | -0,96 | -0,96 | -0,93 |
| Медленная фаза – медленная фаза (динамический показатель) | 0,95 | 0,96 | 0,94 | 0,83 |
| Балльная оценка некрозов – медленная фаза | -0,83 | -0,76 | -0,86 | -0,83 |
| Балльная оценка некрозов – медленная фаза (динамически показатель) | -0,89 | -0,75 | -0,92 | -0,97 |
Однако анализ критерия отношения максимального значения оценок к минимальному среди всей выборки изучаемых генотипов при диагностике устойчивости генотипов яблони к стрессовому воздействию тяжелых металлов, позволяет сделать вывод о большей чувствительности метода анализа медленной фазы индуцированной флуоресценции хлорофилла (табл.8). Значит, применение этого способа оценки эффективности работы фотосистем позволяет разделить на группы с разной степенью устойчивости близкие по степени толерантности сорта.
Таблица 8. Отношение максимального значения оценок к минимальному среди всей выборки изучаемых генотипов при диагностике устойчивости сортов и форм яблони к негативному действию катионов тяжелых металлов.
| Вариант опыта | Быстрая фаза | Медленная фаза | Медленная фаза (динамический показатель) |
| CoCl2 | |||
| Контроль | 1,15 | 1,16 | 1,28 |
| 75 мг/л | 1,63 | 2,39 | 3,00 |
| 150 мг/л | 1,42 | 1,79 | 2,10 |
| NiCl2 | |||
| Контроль | 1,17 | 1,25 | 1,30 |
| 75 мг/л | 4,2 | 9,57 | 10,27 |
| 150 мг/л | 3,81 | 8,5 | 6,96 |
3.3. Оценка негативного действия пестицидов
Современное промышленное садоводство невозможно без применения различного рода химических веществ, в том числе пестицидов. Гербицидами обрабатывают только сорняки и попадание их на плодовое растение возможно лишь по неосторожности. А фунгицидами и инсектицидами обрабатываются непосредственно сами растения. Поэтому важно чтобы, пестициды этих групп, нанося ущерб вредителям, не оказывали ингибирующего действия на плодовые деревья.
При оценке негативного действия инсектицида Би-58 на фотосинтетическую активность листовых дисков, по изменению параметров быстрой фазы ИФХ установлено, что лишь в концентрации превышающей рекомендованную, отмечен статистически достоверный спад удельной фотосинтетической активности у всех исследуемых сортов и форм.
По результатам анализа медленной фазы ИФХ снижение УФА отмечено у сортов Свежесть и Скала уже в рекомендованной. Повышенная концентрация вызвала снижение функциональной активности у всех генотипов.
Согласно данным, полученным при анализе динамического показателя, отмечено снижение функциональной активности в рекомендуемой концентрации у сортов Мелба, Свежесть и Скала. Повышенная концентрация Би-58 оказало ингибирующее действие на фотосистемы всех анализируемых сортов и форм яблони
Нахождение листовых дисков в растворах, с концентрацией фунгицида Строби превышающей рекомендуемую, у всех генотипов, кроме формы Якутская 1, установлено снижение УФА, как в быстрой так и в медленной стадии ИФХ. Рекомендуемая концентрация согласно анализу быстрой фазы вызвало снижение значения УФА у сортов Гала, Мелба и Скала. Согласно данным, полученным при изучении медленной фазы УФА при рекомендуемой концентрации снизилась у гибридов 10-16, 27-96(2) и сорта Скала. А согласно анализу изменений динамического показателя – у гибридов 10-16, 27-96(2), сортов Скала и Мелба.
3.4. Сравнительный анализ данных, полученных при оценке
негативного действия пестицидов на сорта и формы яблони
Между данными индуцированной флуоресценции хлорофилла, полученными при установлении токсического эффекта пестицидов выявлены высокие значения коэффициента корреляции (табл. 9).
Таблица 9. Корреляционные связи между параметрами индуцированной флуоресценции
хлорофилла при оценке действия пестицидов на сорта и формы яблони.
| Корреляционные связи между показателями ИФХ | Пестицид, концентрация | |||
| Строби | Би-58 | |||
| 0,2мг/л | 1мг/л | 1,5 мл/л | 7,5 мл/л | |
| Быстрая фаза – медленная фаза | 0,75 | 0,81 | 0,70 | 0,96 |
| Быстрая фаза – медленная фаза (динамический показатель) | 0,74 | 0,78 | 0,68 | 0,97 |
| Медленная фаза – медленная фаза (динамический показатель) | 0,94 | 0,97 | 0,95 | 0,97 |
Анализ отношения максимального значения к минимальному среди всей выборки изучаемых генотипов, при действии на них растворов пестицидов, позволяет сделать вывод, что использование медленной фазы ИФХ является наиболее чувствительным способом оценки функционального состояния фотосинтетического аппарата (табл. 10).
Таблица 10. Отношение максимального значения оценок к минимальному среди всей выборки изучаемых генотипов при оценке действия пестицидов на сорта и формы яблони.
| Строби | Би-58 | |||||
| Контроль | 0,2 мг/л | 1 мг/л | Контроль | 1,5 мл/л | 7,5 мл/л | |
| Быстрая фаза | 1,10 | 1,16 | 1,93 | 1,26 | 1,28 | 2,16 |
| Медленная фаза | 1,34 | 1,53 | 6,74 | 1,24 | 2,37 | 4,35 |
| Медленная фаза (динамический показатель) | 1,56 | 1,93 | 9,52 | 1,30 | 2,61 | 7,40 |
Также в эксперименте использовался гербицид системного действия Раундап, его применяли в качестве сильного стресс-фактора, для оценки и сравнения разрешающей способности и чувствительности быстрой и медленной фаз индуцированной флуоресценции. В результате установлено высокая степень корреляционных связей между параметрами ИФХ.
Таблица 11. Корреляционные связи между параметрами индуцированной флуоресценции хлорофилла при оценке действия гербицида Раундап на сорта и формы яблони.
| Корреляционные связи между показателями ИФХ | Концентрации | |
| 12,5 мл/л | 37,5 мл/л | |
| Быстрая фаза – медленная фаза | 0,91 | 0,80 |
| Быстрая фаза – медленная фаза (динамический показатель) | 0,90 | 0,83 |
| Медленная фаза – медленная фаза (динамический показатель) | 0,97 | 0,95 |
Проанализировав отношение максимального значения оценок к минимальному, можно сделать вывод, что при оценке токсического эффекта гербицида Раундап способ диагностики по изучению параметров медленной фазы ИФХ обладает большей разрешающей способностью (табл. 12).
Таблица 12. Отношение максимального значения оценок к минимальному среди всей
выборки изучаемых генотипов яблони при оценке действия гербицида Раундап
| Вариант опыта | Быстрая фаза | Медленная фаза | Медленная фаза (динамический показатель) |
| Контроль | 1,23 | 1,17 | 1,4 |
| 12,5 мл/л | 3,79 | 7,56 | 14,07 |
| 37,5 мл/л | 3,16 | 4 | 20,66 |
4. Устойчивость изучаемых сортов и форм к низким температурам
Для комплексной характеристики устойчивости изучаемых генотипов к абиотическим стрессорам была проведена оценка их толерантности к низким температурам. При изучении максимальной морозостойкости в середине зимовки, у всех сортов за исключением сортов Гала и Мелба, степень повреждения древесины не превышала порог в 2 балла, выше которого изменения считаются необратимыми. Не отмечено повреждений древесины, коры, камбия и почек у видовой формы Якутская 1. Высоким потенциалом устойчивости почек характеризовались гибриды 10-16 и 27-96(2) и форма Якутская 1.
При оценке устойчивости цветов к поздневесенним заморозкам, после промораживания при температуре -1,5°С наименьшая степень повреждения отмечена у гибрида 10-16, сорта Мелба и формы Якутская 1. Больше всего пострадали цветки сорта Гала. При использовании более низкой температуры -3°С, наименьшим количеством поврежденных цветков характеризовалась форма Якутская 1, наибольшим – сорта Гала и Скала.
5. Экономическая эффективность
Определение экономической эффективности – важная задача при проведении научных исследований, так как она позволяет определить перспективы применения экспресс-методов для диагностики устойчивости растений к абиотическим стрессорам.
Расчет экономической эффективности проводили, оценивая количество времени, затраченного на проведение диагностики жаростойкости 100 сортообразцов традиционным методом и методом индуцированной хлорофиллфлуоресценции. Как видно из таблицы 13, использование экспресс-метода позволяет экономить время на оценку по сравнению с традиционными способами, значит экономить трудочасы на оценку одного и того же количества образцов.
Таблица 13. Экономическая эффективность применения способов оценки жаростойкости
в расчете на 100 сортообразцов.
| Наименование показателей | Единицы измерения | Анализ традиционным способом | Анализ быстрой фазы ИФХ | Анализ медленной фазы ИФХ |
| Время на проведение анализа (взвешивание и т.д.) | Минуты | 650 | 230 | 330 |
| Полные затраты на проведение анализа | Рубли | 1831-09 | 647-93 | 929-63 |
| Экономия средств по сравнению с анализом традиционным способом | Рубли | – | 1183-16 | 901-46 |
| Рентабельность | % | – | 182,6 | 97,0 |
ВЫВОДЫ
- При диагностике устойчивости генотипов яблони к комплексу абиотических факторов установлено наличие высоких значений коэффициента корреляции между показателями медленной и быстрой фаз индуцированной флуоресценции хлорофилла (0,61-0,96), а также балльной оценкой площади некротического поражения листьев (0,62-0,97).
- При диагностике устойчивости изучаемых генотипов яблони к абиотическим стрессорам методом индукции флуоресценции хлорофилла выявлено, что использование анализа медленной фазы является наиболее чувствительным способом оценки функциональной активности по сравнению с анализом быстрой фазы, позволяющим фиксировать более тонкие различия между близкими по степени устойчивости сортами и формами.
- В результате комплексной оценки водного режима и функционирования фотосинтетического аппарата методом индуцированной флуоресценции хлорофилла выявлен сравнительный потенциал засухоустойчивости изучаемых сортов и форм яблони. Наиболее засухостойчивыми генотипами являются сорта Гала, Мелба, гибрид 27-96(2) и отборная видовая форма Якутская 1.
- На основе оценки изменения параметров индуцированной флуоресценции хлорофилла, а также потери воды, степени восстановления оводненности, при моделировании повреждающего воздействия высоких температур установлены различия в степени жаростойкости изучаемых сортов и форм. Наиболее устойчивыми к данному фактору являются сорта Гала, Свежесть и гибрид 27-96(2)
- При оценке жаростойкости установлено дополнительное деструктивное действие света, усиливающее негативный эффект теплового шока.
- При диагностике солеустойчивости установлено наличие высоких значений коэффициента корреляции между параметрами индуцированной флуоресценции хлорофилла и балльной оценкой площади некротического поражения листа (0,62-0,97). Выявлен потенциал устойчивости изучаемых сортов к данному фактору, наибольшей степенью устойчивости к хлоридному засолению характеризовались сорт Гала и видовая форма Якутская 1, к сульфатному засолению наиболее устойчивыми являются сорт Скала и форма Якутская 1.
- При диагностике потенциала устойчивости к негативному действию катионов металлов установлена высокая степень корреляционной зависимости между параметрами индуцированной флуоресценции хлорофилла и бальной оценкой некротизации листовых пластин (0,76-0,97). Выявлены наиболее устойчивые к токсическому эффекту катионов никеля генотипы - сорта Скала, Гала и гибрид 27-96(2), к токсическому действию катионов кобальта – гибрид 27-96(2) и видовая форма Якутская 1.
- Установлено, что использование фунгицида Строби и инсектицида Би-58 в концентрациях превышающих рекомендуемые оказывает значительное ингибирующее действие на фотосинтетический аппарат изучаемых генотипов (снижение УФА до 88%). При использовании рекомендованных концентраций отмечена тенденция к снижению удельной фотосинтетической активности, но для большинства сортов различия статистически недостоверны.
- Выявлен сравнительный потенциал устойчивости изучаемых сортов и форм яблони к низким критическим температурам в середине зимовки. Выделены генотипы с обратимыми повреждениями древесины до 2-х баллов: сорта Свежесть, Скала, гибриды 27-96(2) и 10-16. Не отмечено повреждений у видовой формы Якутская 1.
- Поздневесенние заморозки в -3° С вызывают гибель от 47 до 92% цветков у изучаемых генотипов. При заморозке -1,5° С степень повреждения цветков варьировала от 33 до 62%. Наиболее устойчивыми к данному фактору являются сорт Мелба, гибрид 10-16 и видовая форма Якутская 1.
РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ СЕЛЕКЦИИ
- Для оценки степени устойчивости исходного материала и гибридных сеянцев к неблагоприятным абиотическим факторам среды (засуха, жара, загрязнение среды ксенобиотиками) в качестве диагностического критерия использовать показатели медленной фазы индуцированной флуоресценции хлорофилла.
- Для селекции рекомендовать в качестве источников ценных хозяйственно-биологических признаков:
- засухоустойчивости – сорта Гала, Мелба, гибрид 27-96(2) и отборная видовая форма Якутская 1;
- жаростойкости – Гала, Свежесть и гибрид 27-96(2);
- зимостойкости – видовая форма Якутская 1;
- высокой степени устойчивости к солям тяжелых металлов – гибрид 27-96(2);
- высокой степени устойчивости к хлоридно-сульфатному засолению – видовая форма Якутская 1;
СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Статьи в изданиях, рекомендованных в ВАК
- Будаговский, А.В. Экспресс-диагностика действия токсических соединений на фотосинтетическую активность садовых культур / А.В. Будаговский, Н.В. Соловых, О.Н. Будаговская, Ф. Ленц, Д.Г. Шорников, М.Ю. Пимкин, М.Л. Дубровский // Плодоводство и ягодоводство России. – М., 2011. – Т. XXVII. – С. 80-89.
- Пимкин, М.Ю. Использование индуцированной хлорофиллфлуоресценции для диагностики засухоустойчивости яблони / М.Ю. Пимкин // Плодоводство и ягодоводство России. – М., 2011. – Т. XXVIII. – Ч.2. – С. 145-149.
- Пимкин, М.Ю. Количественная оценка устойчивости сортов и форм яблони к хлоридному засолению / М.Ю. Пимкин // Вестник МичГАУ. – 2011. – №2. – Ч.1. – С. 38-41.
- Пимкин, М.Ю. Использование индуцированной хлорофиллфлуоресценции для диагностики устойчивости сортов и форм яблони к загрязнению среды тяжелыми металлами / М.Ю. Пимкин // Плодоводство и ягодоводство России. – М, 2012. – Т. XXXIII. – С. 258-263.
- Пимкин, М.Ю. Оценка токсического действия пестицидов на сорта и формы яблони методом индуцированной флуоресценции хлорофилла / Пимкин М.Ю. // Плодоводство и ягодоводство России. – М., 2013. – Т. XXXVI. – Ч.2. – С. 78-84.
Статьи в других научных изданиях
- Будаговский, А.В. Новый методический подход к оценке жаростойкости плодовых растений / А.В. Будаговский, М.Л. Дубровский, М.Ю. Пимкин, О.Н. Будаговская, А.И. Миляев // Агроэкологические аспекты устойчивого развития АПК: материалы VIII междунар. науч. конф. – Брянск, 2011. – С. 317-319.
- Пимкин, М.Ю. Оценка максимальной морозостойкости сортов и форм яблони в середине зимовки / М.Ю. Пимкин // Агроэкологические аспекты устойчивого развития АПК: материалы X междунар. науч. конф. – Брянск, 2013. – С. 197-199.
| Формат 60х84 1/16 Тираж 120 экз. | Объем 1 усл.п.л. Заказ № 2 |
ГНУ Всероссийский НИИ генетики и селекции плодовых растений им. И.В. Мичурина
Российской академии сельскохозяйственных наук
