Физиолого-биохимические показатели устойчивости садовых растений к температурным стрессорам весенне летнего периода и пути их регуляции
На правах рукописи
МАКСИМЦОВ Денис Витальевич ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ УСТОЙЧИВОСТИ САДОВЫХ РАСТЕНИЙ К ТЕМПЕРАТУРНЫМ СТРЕССОРАМ ВЕСЕННЕ ЛЕТНЕГО ПЕРИОДА И ПУТИ ИХ РЕГУЛЯЦИИ Специальность 03.01.05 – физиология и биохимия растений
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук
Краснодар – 2013 1 2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Садоводство – важнейшая составная часть агропро мышленного комплекса южных регионов России. Основное ее назна чение – производство и обеспечение населения витаминизированными продуктами питания для поддержания и сохранения здоровья. Однако обеспеченность плодами для употребления в свежем виде удовлетворена лишь на 43,4% (Е. А. Егоров, 1999;
2006). Именно поэтому большое и постоянное внимание уделяется дальнейшему развитию отрасли.
Кроме того, последние годы много внимания уделяется вопросам озеленения территорий различных населенных пунктов. Сегодня на рынке появляется множество сортов и форм декоративных растений, максимально сочетающих в себе зимостойкость, устойчивость к болезням и высокую декоративность. По красоте, нежному и приятному аромату, продолжительности цветения, разнообразной окраске первое место среди декоративно-цветущих растений занимают розы (В. В. Воронцов, 2007).
Перед садоводами юга России стоят задачи не только увеличения объемов производства плодов, озеленения и благоустройства территорий, но и формирования устойчиво функционирующих многолетних насаж дений и высокодекоративных растительных сообществ.
Однако решение поставленных задач сдерживается довольно частыми проявлениями во многих агроклиматических районах южного региона различных температурных стрессоров, в частности весенних заморозков и высоких температур воздуха в летний период. В связи с этим изучение механизма ответа садовых растений на повреждающее воздействие, а также разработка приемов, повышающих устойчивость плодовых и декоративных растений к действию стрессоров, являются весьма актуальными.
Цель и задачи исследований. Цель исследований – определить диагностические критерии устойчивости садовых растений к температурным стрессорам весенне-летнего периода (заморозкам, высоким температурам воздуха) и разработать агроприемы, оптимизирующие эти свойства.
В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи исследований:
- определить физиолого-биохимические показатели генеративных органов сортов основных плодовых культур (яблони и черешни), сопряжнные с проявлением устойчивости к весенним заморозкам;
- изучить особенности адаптации растений чайно-гибридной розы к кратковременному понижению температуры в весенний период;
- разработать прием, обеспечивающий повышение устойчивости плодовых растений к весенним заморозкам;
- определить физиолого-биохимические критерии устойчивости садовых растений (яблони, сливы, чайно-гибридной розы) к высоким температурам;
- выявить особенности проявления у растений яблони и розы окислительного стресса в неблагоприятных условиях летнего периода;
- разработать способы повышения устойчивости садовых расте ний к высоким температурам воздуха;
- определить экономическую эффективность реализации агро приемов, обеспечивающих повышение устойчивости садовых растений к температурным стрессорам весенне-летнего периода.
Научная новизна результатов исследований. Уточнены физиолого-биохимические критерии заморозко- и жароустойчивости некоторых многолетних садовых растений.
Определены особенности проявления окислительного стресса у растений яблони и чайно-гибридной розы в неблагоприятных условиях летнего периода на территории юга России.
Показана возможность активизации синтеза липидов в генеративных органах растений черешни в ранневесенний период, обеспечивающей задержку выхода из состояния вынужденного покоя, что обусловливает повышение заморозкоустойчивости.
Подтверждена положительная роль бора и кальция в повышении устойчивости многолетних садовых растений к перегреву.
Практическая значимость работы. Обоснована возможность повышения устойчивости основных садовых растений юга России к температурным стрессорам весенне-летнего периода.
Предложен агроприем, способствующий задержке выхода растений черешни из состояния вынужденного покоя и повышению за счет этого их устойчивости к кратковременному понижению температуры в весенний период.
Разработаны способы повышения жароустойчивости основных садовых растений.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Активизация под влиянием температурного стрессора накопления в генеративных органах липидов и индолилуксусной кислоты (яблоня, черешня) и повышенная регенерационная способность растений (чайно-гибридная роза) в весенний период - важные диагностические критерии устойчивости садовых культур к заморозкам.
2. Использование обработки растений черешни перед началом периода вегетации раствором глюкозы с добавлением глицерина как одного из приемов задержки выхода их из состояния вынужденного покоя, обусловливающего и повышение заморозкоустойчивости.
3. Возможность применения совокупности показателей (степени изменения под влиянием температурного стрессора содержания в листьях белков и свободного пролина) для диагностики жароустойчивости садовых растений, а также перспективность некорневых подкормок борной кислотой и хлоридом кальция для оптимизации этого свойства.
Апробация и реализация результатов исследований.
Результаты исследований представлены на четвертой студенческой региональной научно-практической конференции (Анапа, 2009), на Ш, V, VI Всероссийских научно-практических конференциях молодых ученых (Краснодар, 2009;
2011;
2012;
Пермь, 2012), на ежегодных научных конференциях студентов и аспирантов Кубанского государственного аграрного университета ( Краснодар, 2009 - 2012 гг.).
Результаты исследований (по мере их поэтапного выполнения) внедрены в хозяйствах муниципального образования город Краснодар:
ЗАО «Центральное» и ЗАО «Плодовод».
Личный вклад соискателя в проведение научного исследования и получение наиболее существенных научных результатов состоит в следующем:
- определении актуальной задачи в области физиологии и биохимии растений применительно к отрасли садоводства и разработке программы исследований в этом направлении;
- закладке опытов и проведении научного эксперимента;
- получении исходных данных, их обработке и интерпретации;
- апробации результатов исследований;
- подготовке публикаций в различных изданиях, в том числе рецензируемых, доля личного участия, в которых пропорциональна числу соавторов.
Публикации результатов исследований. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 13 статьях (в том числе 6 - в рецензируемых научных изданиях и журналах, определенных перечнем ВАК РФ).
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 23 таблицы, 29 рисунков и состоит из введения, 4 глав, выводов и рекомендаций по использованию результатов исследований, списка использованной литературы и приложений. Список используемой литературы включает 140 источников, в том числе 14 - на иностранных языках.
Автор выражает искреннюю благодарность за помощь, оказанную при проведении этой работы, заслуженному деятелю науки РФ, доктору сельскохозяйственных наук, профессору Т.Н.Дорошенко;
сотрудникам кафедр плодоводства, физиологии и биохимии растений Кубанского ГАУ, а также доктору химических наук, заведующему лабораторией анализа органических и газовых компонентов, фитонцидов НИЦ курортологии и реабилитации (г. Сочи) ФМБА России В. Н. Бехтереву.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
1. Состояние изученности вопроса (обзор литературы). В ходе анализа литературных источников (Т. Н. Дорошенко, 2002;
В. И.Кашин, 2003;
В. В. Воронцов, 2007;
Т. Н.Дорошенко, Н. В.Захарчук, Л.Г.Рязанова, 2010;
Е.А.Егоров, 2012 и др.) определено, что основными лимити рующими стресс-факторами, влияющими на хозяйственный урожай и качество плодов основных семечковых и косточковых культур, а также на декоративные качества розы, являются весенние заморозки и высокие температуры воздуха в летний период. Проанализированы известные механизмы адаптации растений к температурным стрессорам периода вегетации, знание и понимание которых необходимо для разработки надежных методов диагностики и приемов повышения устойчивости растений к действию неблагоприятных факторов окружающей среды.
Обоснованы задачи исследований.
2. Объекты, условия и методы исследований
Работа выполнена на кафедре плодоводства Кубанского государственного аграрного университета (КубГАУ) в соответствии с тематическим планом НИР (номер госрегистрации 01.2.00606838).
Для решения поставленных задач использовали полевой, вегетационный и лабораторный методы исследования.
Полевые опыты были проведены в 2009 - 2013 гг. в садах учхоза «Кубань» КубГАУ (г. Краснодар) и декоративных насаждениях НСТ «Родник» (г. Краснодар).
Вегетационный опыт закладывали на вегетационной площадке КубГАУ.
Объектами исследований являлись сорта садовых растений, контрастные по устойчивости к температурным стрессорам и нашедшие широкое применение в современных насаждениях юга России: яблони – Флорина (контроль) и Голден Делишес на подвое М9;
черешни – Кавказская улучшенная (К) и Францис, привитые на сеянцах черешни;
сливы – Прикубанская (К) и Стенлей (подвой - сеянцы алычи);
чайно гибридной розы – Софи Лорен (К) и Венделла, привитые на шиповник обыкновенный.
Почвы – черноземы выщелоченные. Климат – умеренно континентальный.
Полевой опыт I по изучению устойчивости яблони, сливы и черешни к температурным стрессорам периода вегетации и приемов ее повышения проводили в 2011 - 2013 гг. Опытные насаждения заложены в учхозе «Кубань» КубГАУ (г. Краснодар) в 1997 г. по схемам 4 2 м ;
8 4 м и 8 4 м соответственно.
В опытных насаждениях на одинаковом, принятом в хозяйстве фоне минеральных удобрений, в течение периода вегетации в определенные фазы роста и развития растений использовали некорневые подкормки микро- и макроэлементами.
Исследовали перспективность использования некорневой подкормки борной кислотой (концентрация 0,03%) для повышения заморозкоустойчивости косточковых культур (черешни). Подкормку применяли перед началом вегетации деревьев в фазу вынужденного покоя.
Для изучения влияния борного удобрения на устойчивость растений яблони к весенним заморозкам в фазу «выдвигание соцветия» применяли некорневую подкормку деревьев борной кислотой (концентрация 0,03%). Контроль - обработка растений водой.
В фазу «расхождение лепестков - начало цветения» срезанные утром ветки с соцветиями промораживали в течение 4 ч. в климатической камере «Binder» КВ 53 при температуре -2,5±0,2°С и учитывали характер изменения физиолого-биохимических показателей генеративных органов, вызванного действием температурного стрессора и борного удобрения.
В опытах по определению оптимальных приемов повышения жароустойчивости сортов яблони и сливы применяли летнюю (первая декада июня) некорневую подкормку хлоридом кальция (концентрация – 0,3%) и обработку борной кислотой (концентрация – 0,03%). Контроль – обработка водой. Повторность опытов – 6-кратная. За однократную повторность принято «дерево-делянка».
Отбор образцов для анализов осуществляли в летний период на фоне естественного повышения температуры воздуха.
Кроме того, высокие температуры моделировали в климатической камере «Binder» КВ 53. При этом у опытных растений в утренние часы (температура воздуха 21 - 23°С) отделяли побеги, помещали их в климатическую камеру и выдерживали в течение трех часов при температуре 50± 2°С.
Для изучения влияния некорневой подкормки борной кислотой на физиологические показатели растений яблони первого года жизни на фоне аномальных температур летнего периода 2010 г. на вегетационной площадке кафедры плодоводства КубГАУ закладывали вегетационный опыт. Растения яблони выращивали в условиях оптимальной влагообеспеченности в сосудах, содержащих 10 кг почвы (чернозем выщелоченный). Изучали сорт яблони Флорина на подвое М9.
Применяли зимнюю прививку (улучшенную копулировку). Использовали некорневую подкормку растений яблони борной кислотой (концентрация 0,03%) в преддверии начала жаркого периода (фаза затухания роста побегов - первая декада июня).
Повторность опыта – 5-кратная.
Полевой опыт II по изучению заморозко- и жароустойчивости чайно-гибридной розы проводили в 2009 - 2013 гг. на садовом участке в НСТ «Родник» г. Краснодара на плантации закладки 2007 г. Схема посадки растений 0,60 х 0,50 м. Повторность опытов 6-кратная.
В опытах применяли летнюю (июньскую) некорневую подкормку хлоридом кальция (концентрация – 0,3%). Контроль - обработка расте ний водой. Повторность опыта – 6-кратная.
Уход за плантациями роз осуществляли в соответствии с общепринятой методикой (В. В. Воронцов, 2007;
В. В. Вышеславцев, 2008).
Исследования проводили как на фоне естественных проявлений температурных стрессоров, так и при их моделировании в климатической камере «Binder» КВ 53.
Полевой, вегетационный и лабораторный опыты осуществляли в соответствии с «Программой и методиками сортоизучения плодовых, ягодных и орехоплодных культур» Всероссийского научно исследовательского института селекции плодовых культур (1999).
Жизнеспособность пыльцы определяли с использованием раствора йода в йодистом калии (Д. П. Викторов, 1969), концентрацию нуклеиновых кислот в растворе - по Г.П.Георгиеву (Г. П. Георгиев, 1968), содержание (на абс. сух. в-во) растворимых углеводов в тканях - по методу Н. В. Воробьева (Н. В. Воробьв, 1985), крахмала - по методу В. Я. Починка (А. И. Ермаков и др., 1987), липидов (масел)- по методу Сокслета (А. И. Ермаков и др., 1987), белков, кофейной и хлорогеновой кислот - по методикам, изложенным в специальной литературе (Методическое и аналитическое обеспечение исследований по садоводству, 2010), жирных кислот - с помощью газожидкостной хромотографии (ГОСТ 30418-96), жаростойкость листьев определяли методом Мацкова (1999), содержание хлорофиллов и каротиноидов в листьях – по методике, изложенной в специальной литературе (Ю. П. Федулов и др., 2010), нитратредуктазную активность листьев яблони – по методу Мюльдера (1985), адсорбирующую поверхность корневой системы - по методу Д. А. Сабинина и М. Н. Колосова (С. С. Баславская, О. М. Трубецкова, 1964). Степень повреждения растений роз заморозками устанавливали по методике М. А. Соловьевой (1988). Оценку декоративных и хозяйственно-биологических показателей сортов чайно-гибридных роз проводили по методике Государственного сортоиспытания сельхозкультур (1968) с учетом дополнений и изменений, предложенных В. Н. Быловым (В. Н. Былов и др., 1988).
Повторность анализов - двукратная.
Результаты опытов обрабатывали методами математической статистики (Б. А. Доспехов, 1985).Экономическую оценку результатов исследований проводили по методике Украинского НИИ садоводства (1987).
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Разработка современных методов сохранения и повышения урожая сельскохозяйственных культур в неблагоприятных условиях произрастания - одна из важнейших задач, стоящих перед физиологами (В. В. Кузнецов, В. П. Холодова, 2011). Ее решение неразрывно связано с определением надежных диагностических критериев устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды, и прежде всего к температурным стрессорам.
3.1 Диагностика устойчивости садовых растений к весенним заморозкам Одним из стресс-факторов, сдерживающих реализацию биологического потенциала садовых культур во многих агроклиматических районах юга России, являются весенние заморозки.
В связи с этим изучено (Н. В. Захарчук, Т. Н. Дорошенко, Д. В. Максимцов, 2011) изменение некоторых физиолого-биохимических показателей генеративных органов яблони при кратковременном понижении температур до -2,5±0,20С.
При снижении температуры до небольших отрицательных значений в цветках яблони сорта Флорина происходил интенсивный гидролиз крахмала (его содержание уменьшилось более чем на 40 %), превращающегося в растворимые сахара и, кроме того, в липиды (содержание возросло в 1,3 раза).
В то же время в цветках яблони сорта Голден Делишес под влиянием пониженной температуры отмечались лишь изменения содержания глюкозы (увеличилось на 12,5%) и постоянство концентрации липидов. Такой менее действенный путь адаптации не обеспечивает необходимого уровня устойчивости к стресс-фактору. На это указывают данные о значительном (в 2 раза) снижении жизнеспособности пыльцы названного сорта, вызванном действием низких температур.
Важная роль в процессе адаптации растений к низкотемпературному воздействию отводится повышению содержания полиненасыщенных жирных кислот, которое способствует оптимизации функционирования клеточных мембран (Е. И. Кошкин, 2010).
Как показал эксперимент (Т. Н. Дорошенко, Д. В. Максимцов, В. Н. Бехтерев, А. М. Кожевникова, 2012) жирные кислоты в цветках устойчивого к заморозкам сорта яблони Флорина - преимущественно ненасыщенные - цис-9,12-линолевая и цис-9,12,15-линоленовая (таблица 1).
Таблица 1- Изменение соотношения жирных кислот в цветках яблони при кратковременном действии отрицательных температур, % (учхоз «Кубань» КубГАУ, апрель 2012 г.) Сорт, условия эксперимента Флорина (К) Голден Делишес Кислота до после до после промора- промора- промора- промора живания живания живания живания С12.0 12,04 25,11 33,57 22, насыщен С16.0 14,08 13,28 20,88 23, С18.0 11,04 1,78 5,60 5, ные ИТОГО: 37,16 40,17 60,05 51, Цис-С18.2 37,65 37,68 18,64 27, ненасы щенные Цис-С18.3 25,19 22,16 21,31 21, ИТОГО: 62,84 59,84 39,95 48, Индекс 1,69 1,48 0,66 0, ненасыщенности Примечание: С12.0 – лауриновая, С16.0 – пальмитиновая, С18.0 – стеариновая, С18.2 – цис-9,12-линолевая, С18.3 – цис-9,12,15-линоленовая.
Их содержание в генеративных органах составляет 62,8% (от содержания суммы жирных кислот), а индекс ненасыщенности (ИН) жирных кислот (Р. В. Сергеев, М. А. Шаталова, 2013) достигает 1,69. Напротив, у не устойчивого сорта Голден Делишес преобладают насыщенные кислоты лауриновая, пальмитиновая, стеариновая (ИН – 0,66).
Вместе с тем при кратковременном охлаждении состав жирных кислот в цветках яблони заметно изменяется: у неустойчивого сорта Голден Делишес доля ненасыщенных кислот увеличивается (ИН – 0,94), а у устойчивого сорта Флорина – снижается (ИН – 1,48). Последнее может быть связано с их вовлечением в биосинтез мембранных липидов (Е. И. Кошкин, 2010). Благодаря повышению содержания ненасыщенных жирных кислот при охлаждении увеличивается проницаемость мембран для воды. Вероятно, мы вправе говорить о роли данного феномена в проявлении устойчивости растений яблони к весенним заморозкам.
Сходные закономерности в характере изменения содержания липидов под влиянием температурного стрессора зафиксированы и при изучении различных по заморозкоустойчивости сортов черешни.
Не менее значимыми показателями устойчивости плодовых растений к заморозкам, как показали наши исследования (Т. Н. Дорошенко, С. С. Чумаков, Д. В. Максимцов, 2011), являются содержание в цветках фенольных соединений и концентрация индолилуксусной кислоты (ИУК). Эти данные представлены в таблице 2.
Таблица 2 – Изменение содержания фенольных соединений и ИУК в цветках черешни под влиянием температурного стрессора, мг/кг (учхоз «Кубань» КубГАУ, апрель 2012) Сорт Фенольные соединения ИУК кофейная кислота хлорогеновая кислота 1 2 1 2 1 Кавказская 1,3 4,2 349,0 330,2 0,5 1, улучшенная (К) Францис 3,1 2,5 163,0 161,1 7,0 9, sx, % 3- Примечание: 1 - до промораживания;
2 - после промораживания Как видно из приведенных данных, у устойчивого сорта черешни Кавказская улучшенная содержание хлорогеновой кислоты в цветках более чем в два раза превышает этот показатель у неустойчивого сорта Францис. Вместе с тем концентрация ИУК, которая является показателем генеративной активности (Т. Н. Дорошенко, С. С. Чумаков, 2011;
С. С. Чумаков, 2012) у сорта Францис на порядок больше, чем у сорта Кавказская улучшенная.
Примечательно, что у устойчивого сорта Кавказская улучшенная при кратковременном воздействии низкими температурами в генеративных органах зафиксировано значительное (в 3,2 раза) увеличение содержания кофейной кислоты, сопровождаемое одновременным резким увеличением концентрации ИУК (в 3,8 раза). В то же время у неустойчивого сорта Францис содержание кофейной кислоты под влиянием низких температур несколько снижается (на 20%), а содержание ИУК увеличивается только на 30%.
Итак, у устойчивых сортов плодовых культур при действии температурного стрессора зафиксирован широкий спектр защитно приспособительных реакций, обеспечивающих, главным образом, сохранность генеративной сферы растений в неблагоприятных условиях среды.
Между тем способность сортов чайно-гибридной розы переносить кратковременное понижение температуры в весенний период связана с вегетативным ростом растений. В этом нас убеждают результаты собственных экспериментов.
Так, на фоне естественного заморозка в апреле 2009 г. произошло существенное подмерзание начавших вегетацию растений чайно гибридной розы. Повреждение образовавшихся побегов у сорта Венделла достигало 4 баллов, а у сорта Софи Лорен (контроль) – только 2,5. Тем не менее после заморозков у сорта Венделла на 12-14 дн. раньше, чем у сорта Софи Лорен, сформировались новые побеги и возобновился их активный рост. При этом кусты данного сорта на протяжении всего периода вегетации выгодно отличались от растений контрольного варианта по декоративным качествам. Так, в середине вегетационного периода высота кустов розы сорта Венделла на 21 %, а количество побегов и бутонов - на 6,5 % больше, чем у сорта Софи Лорен.
Таким образом, устойчивость плодовых растений (яблони и черешни) к весенним заморозкам сопряжена с их способностью в неблагоприятных условиях среды сохранять генеративную сферу. Вместе с тем заморозкоустойчивость сортов чайно-гибридной розы связана с вегетативным ростом растений.
3.2 Пути повышения устойчивости плодовых растений к весенним заморозкам По результатам проведенных нами экспериментов установлено, что обработки деревьев яблони сорта Голден Делишес борной кислотой в начале цветения обеспечивают заметное (на 40%) увеличение жизнеспособности пыльцы. Еще более рельефные показатели получены на фоне понижения температуры до -2,5 ± 0,2° С. В таких температурных условиях жизнеспособность пыльцы в варианте с использованием бора повышается по сравнению с контрольными значениями в 3 раза (Н. В. Захарчук, Т. Н. Дорошенко, Д. В. Максимцов, 2011).
Известно также, что одним из приемов предупреждения повреждающего действия весенних заморозков является задержка сроков цветения косточковых культур (Н. В. Агафонов, 1980).
Значительная роль липидов в повышении заморозкоустойчивости плодовых растений принята за основу при разработке приема, оптимизирующего данное свойство. Рассмотрено влияние различных препаратов на заморозкоустойчивость черешни в 2012-2013 гг. Перед началом вегетации черешни были испытаны следующие варианты обработки растений неустойчивого сорта Францис:
1. Вода (контроль).
2. Борная кислота в концентрации 0,03 % (производственный контроль).
3. Водный раствор глюкозы (концентрация 3%) с добавлением глицерина (концентрация 5%) – биохимических предшественников жиров.
В экспериментах, проводимых на фоне естественных заморозков, зафиксированных с 17 по 26 марта 2013 г., отмечено следующее.
Растения реагируют на действие различных препаратов неодинаково.
Так, уже через 20 дн. после их обработки борной кислотой содержание воды в генеративных почках возросло по сравнению с контролем в 2 раза.
В то же время использование глицерина и раствора глюкозы привело к резкому (в 2 раза по сравнению с контрольным показателем) снижению содержания воды в генеративных органах черешни. При этом в почках отмечено существенное увеличение содержания липидов, что может быть связано с упорядочением структуры клеточных мембран.
Более того, уже через 20 дн. после обработки борной кислотой развитие генеративных почек ускоряется (в среднем на 10 дн. в сравнении с контролем), а при использовании глюкозы и глицерина, напротив, сдерживается на 5 дн. Тем не менее по мере развития растений черешни разница между контролем и вариантом «глюкоза + глицерин» постепенно нивелируется. Так, в этом варианте начало цветения сорта Францис наступает только на 3 дня позже, чем в контроле, а созревание и сбор урожая плодов в обоих случаях и вовсе проходят в одни сроки.
Замедление выхода растений черешни из состояния покоя при использовании глицерина и раствора глюкозы сопряжено с повышением эффективности протекания в генеративных органах соответствующих этапов органогенеза. В пользу этого утверждения свидетельствуют, например, факты повышения жизнеспособности пыльцы растений в опытном варианте в сравнении с контролем (50 и 15% соответственно), а также увеличения активности процесса оплодотворения и завязывания плодов.
При использовании глицерина и глюкозы урожай плодов черешни сорта Францис практически в 2 раза выше контрольных значений (рисунок 1).
контроль (04.06.13) Урожай, кг/дер НВО3 (28.05.13) 20 Водный раствор глюкозы с добавлением глицерина (04.06.13) Рисунок 1 - Урожай плодов черешни сорта Францис в связи с применением различных препаратов (май - июнь 2013) Этот показатель в варианте с применением борной кислоты также превысил контроль на 37 %. Однако при различных видах обработки созревание плодов одного и того же сорта проходило в разные сроки.
Так, применение борной кислоты способствовало более раннему (на 8 дн.
в сравнении с контролем) их созреванию. В то же время в варианте с использованием глюкозы и глицерина созревание плодов зафиксировано в те же сроки, что и в контроле.
Итак, использование борной кислоты (независимо от сроков ее применения) способствует активизации генеративной деятельности плодовых растений (в том числе и при кратковременном понижении температуры в весенний период), приводящей к улучшению завязывания плодов и повышению хозяйственной продуктивности. Другая возможность избежать повреждения растений черешни весенними заморозками – активизация синтеза липидов в генеративных органах, достигаемая обработкой деревьев перед началом периода вегетации водным раствором глюкозы (3 %) с добавлением глицерина (5 %).
3.3 Диагностические критерии жароустойчивости садовых растений Получены данные, свидетельствующие о различной реакции растений яблони и сливы на повышение температуры окружающей среды до «критических» (+55... +60 °С) значений.
Так, в третьей декаде июля при температуре 50 - 55°С повреж дение листьев у яблони составляет лишь 0 - 15%, а у сливы изменяется в диапазоне 22 - 50%. Исходя из представленных результатов, во второй половине летнего периода более устойчивы к перегреву растения яблони.
Вместе с тем при дальнейшем повышении температуры до 60±1°С различия по жароустойчивости между растениями яблони и сливы нивелируются – степень повреждения листовых пластинок в изучаемых вариантах опыта достигает 90 - 100%.
Примечательно и то, что сорта каждой культуры также различаются по устойчивости к высоким температурам. Во второй половине лета сорт яблони Флорина более устойчив к перегреву, чем Голден Делишес, а сорт сливы Прикубанская переносит высокие температуры легче, чем сорт Стенлей. Под влиянием высоких темпе ратур в листьях плодовых растений происходит закономерное снижение содержания белков (Т. Н. Дорошенко, Д. В. Максимцов, 2013), причем наиболее значительное (в 1,8 - 2,0 раза) – у неустойчивых сортов: сливы Стенлей и яблони Голден Делишес (таблица 3).
Таблица 3 – Изменение физиолого-биохимических показателей листьев яблони и сливы под влиянием высоких температур* (24 июля 2012) Сорт До прогревания После прогревания Белки, Свободные Белки, Свободные мг/г аминокислоты, мг/г аминокислоты, мг/дм3 мг/дм сумма пролин сумма пролин Яблоня Флорина (К) 8,9 124,2 24,1 7,3 167,4 38, Голден Делишес 11,0 296,2 43,7 5,5 343,5 65, Слива Прикубанская (К) 10,8 376,9 47,7 7,8 600,0 137, Стенлей 13,1 470,1 115,1 7,2 736,5 165, sx, % 3- * Высокие температуры (50± 2°С) моделировали в климатической камере «Binder» КВ 53 в течение 3 ч.
При этом распад белков в листовых пластинках растений, как правило, сопровождается адекватным увеличением концентрации суммы свободных аминокислот.
Обращает на себя внимание и характер изменения при воздействии высокими температурами содержания в листьях свободной аминокислоты – пролина. В условиях перегрева во всех вариантах опыта зафиксировано существенное (в 1,4 - 2,9 раза) увеличение концентрации этой аминокислоты в листовых пластинках. Наиболее значимым оно было у жароустойчивого сорта сливы Прикубанская. Однако заметных различий по степени этого увеличения между контрастными по жароустойчивости сортами яблони не отмечено. Вместе с тем именно пролин является протекторным соединением, образующим гидрофильные коллоиды и защищающим белки при действии стрессора от денатурации (В. В. Кузнецов, Н. И. Шевякова, 1999;
Н. И. Якушкина, 2005). В связи с этим уместно предположить возможность функционирования у растений разных плодовых пород различных механизмов адаптации к перегреву.
Как показал эксперимент, сорт чайно-гибридной розы Венделла проявляет достаточно высокую степень устойчивости к действию критических летних температур. Средней степенью устойчивости к перегреву характеризуется сорт Софи Лорен: поврежденные участки листьев при температуре 45 - 50°С незначительны, а при 55 °С – превы шают 60 % листовой поверхности. Об этом же свидетельствуют и результаты определения изменения под влиянием высоких температур содержания белков в листьях у различных сортов чайно-гибридной розы (рисунок 2).
Содержание белков, мг/г До прогревания После прогревания Софи Лорен (к) Венделла sx, % 3- Рисунок 2 - Изменение содержания белков в листьях чайно-гибридной розы под влиянием высоких температур: +50±2°С (июль 2012) Так, под влиянием повышенных температур в листьях розы происходит заметное снижение содержания белков, причем наиболее значительное – у среднеустойчивого сорта Софи Лорен (в 1,7 раза).
Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод, что растения чайно-гибридной розы менее устойчивы к перегреву, чем деревья яблони и сливы. Важными диагностическими критериями жароустойчивости садовых растений являются: степень изменения под влиянием высоких температур содержания в листьях белков и свободной аминокислоты пролина. Эти показатели использованы при подборе жароустойчивых сортов плодовых культур.
По данным актинометрических наблюдений метеостанции «Краснодар-Круглик» (справка ФГБУ «Краснодарский ЦГМС от 15.10.2012 № 1039), максимум солнечной радиации приходится на июнь июль, составляя 500-750 МДж/м2.
Однако в указанный период 2012 г. этот показатель на 9 - 13% превышал средние многолетние значения. Между тем высокие температуры воздуха и солнечная радиация могут вызвать чрезмерное накопление в клетках активных форм кислорода, обусловливающее проявление у растений внутреннего окислительного стресса (В. А. Гудковский, Н. Я. Каширская, Е. М. Цуканова, 2005).
По нашим данным, у сорта яблони Флорина (К) содержание в тканях листьев аскорбиновой кислоты (низкомолекулярного антиоксиданта) в 4,6 раза больше, чем у сорта Голден Делишес (июль 2012). Кроме того, соотношение каротиноидов и хлорофиллов (Кар/Хл) в листовых пластинках также заметно выше у контрольного сорта.
Очевидно, растения яблони сорта Флорина отличаются более быстрой мобилизацией защитно-приспособительных реакций связанной со значительными отклонениями от нормы условий среды в летний период.
Сходные закономерности зафиксированы при изучении различных сортов чайно-гибридной розы. Так, соотношение Кар/Хл у растений сорта Венделла на 27% выше, чем у сорта Софи Лорен. Это свидетельствует о лучшей способности сорта Венделла переносить окислительный стресс.
Таким образом, устойчивость садовых растений к действию высоких летних температур воздуха сопряжена с их устойчивостью к проявлению окислительного стресса.
Интегральным показателем эффективности процессов жизнедеятельности садовых растений в определенных условиях среды является, как известно, хозяйственная продуктивность. Так, сорт яблони Флорина обеспечивал достаточно высокий и относительно стабильный урожай плодов в различные (в том числе экстремальные) по условиям летнего периода годы (таблица 4).
Таблица 4 – Урожай плодов яблони, кг/дер. (сад закладки г. учхоза «Кубань» КубГАУ на подвое М 9, схема 4 2м) Сорт Годы исследований В среднем за 2010 - 2012 гг.
2010 2011 Флорина (к) 16,7 18,3 15,0 16, Голден Делишес 10,3 30,3 13,8 18, НСР05 1,9 2,7 1,1 Обращает на себя внимание и тот факт, что в среднестатистический по погодным условиям летнего периода 2011 г.
урожай плодов у сорта Голден Делишес был на 65 % больше, чем у сорта Флорина. Эти данные еще раз подтверждает известный факт (А. А. Жученко, А. Д. Урсул, 1983), что сорта, менее устойчивые к определенным климатическим стрессорам, в благоприятных условиях среды отличаются большей хозяйственной продуктивностью, чем сорта, более устойчивые к их действию.
3.4 Агроприемы повышения устойчивости садовых растений к высокотемпературному стрессу В результате исследований (Н. И. Якушкина, 2005;
Т. Н. Дорошенко, С. С. Чумаков, Д. В. Максимцов, 2012) установлено, что использование бора в качестве подкормки в летние месяцы ослабляет негативное влияние на плодовые растения высоких температур воздуха.
Так, в условиях вегетационного опыта на фоне аномальной жары августа 2010 г. (максимальная температура воздуха достигала +55 °С, а в корнеобитаемом слое почвы температура повышалась до +35°С) применение некорневой подкормки растений яблони сорта Флорина (подвой М9) борной кислотой обеспечило формирование мощной корневой системы. Суммарная длина корней в этом варианте опыта в 1,7, а их общая адсорбирующая поверхность - в 2,2 раза больше, чем в контроле. Более того, под воздействием бора заметно повышается поглотительная способность корней растений яблони первого года жизни (увеличивается рабочая адсорбирующая поверхность). Вместе с тем использование некорневой подкормки борной кислотой в летний период способствует уменьшению степени повреждения листьев яблони (55-60°С).
высокими температурами Представленные данные свидетельствуют о перспективности использования борного удобрения для повышения устойчивости растений яблони к перегреву. Это заключение подтверждается и результатами полевого опыта, в частности фактами увеличения под влиянием борной кислоты содержания белков в почках (на 22%), активизации закладки и дифференциации цветковых почек, а в итоге – повышения в следующем сезоне урожая плодов.
По нашим данным (таблица 5), применение в начале летнего периода некорневой подкормки деревьев яблони неустойчивого к перегреву сорта Голден Делишес хлоридом кальция обеспечивает увеличение на 10% содержания в листьях хлорофилла «а», ответственного за формирование реакционного центра фотосинтетического аппарата (Н. И. Якушкина, 2005). При этом концентрация хлорофилла «в» в листовых пластинках уменьшается.
Таблица 5 – Изменение содержания пигментов в листьях яблони сорта Голден Делишес под влиянием хлорида кальция (учхоз «Кубань» КубГАУ, 28 июня 2013) Вариант Содержание пигментов, мг/г Кар/Хл обработки хлорофилл хлорофилл каротино «а» «в» иды Вода (контроль) 6,0±0,2 2,5±0,1 1,7±0,1 0, СаСl2 6,6±0,3 1,9±0,1 2,1±0,2 0, Таким образом, под влиянием обработки хлоридом кальция у растений яблони возможно изменение структуры фотосинтетического аппарата. Более того, использование хлорида кальция снижает проявление у растений окислительного стресса (отмечено некоторое повышение соотношения Кар/Хл).
В листьях растений яблони, обработанных хлоридом кальция, при повышении температуры содержание протекторного соединения – свободной аминокислоты пролина - возрастает в 2,2 раза. В то же время в контрольном варианте этот показатель под влиянием стрессора увеличивается только в 1,4 раза. Одновременно под влиянием препарата кальция в неблагоприятных условиях среды заметно ослабляется (в сравнении с контролем) распад белков.
Приведенные результаты свидетельствуют об активизации у растений яблони защитно-приспособительных реакций в неблагоприятных температурных условиях при использовании соли кальция. Это заключение вполне согласуется с литературными данными (О. И. Третьякова, Ю. П. Федулов, Г. И. Третьяков, С. П. Доценко, 2011) о возможном влиянии ионов Са2+ на пороговую температуру денатурации белков.
Физиолого-биохимические изменения, происходящие в растительном организме под влиянием хлорида кальция на фоне высоких температур воздуха во второй половине летнего периода, определяют особенности формирования хозяйственного урожая в специфические по погодным условиям годы.
Как показал эксперимент, применение некорневой подкормки деревьев яблони сорта Голден Делишес хлоридом кальция ослабляет процесс позднего (после июньского опадения) сбрасывания завязей, снижая непроизводительный расход питательных веществ, и обеспечивает повышение урожая плодов на 26% в сравнении с контролем (в среднем за 2011 - 2012 гг.: 28,0. 22,2 кг/дер. соответственно).
Следует заметить, что использование некорневой подкормки растений чайно-гибридной розы хлоридом кальция способствует улучшению показателей декоративного качества кустов (таблица 6).
Таблица 6 - Изменение показателей декоративного качества кустов чайно-гибридной розы сорта Софи Лорен под влиянием хлорида кальция (июль 2009 - 2012) Вариант Высота куста, см обра- Количество бутонов, шт.
(в среднем за 2009-2012) (в среднем за 2009-2012) Количество однолетних ботки побегов, шт.
В 2009 2010 2011 сред нем за 2009 Вода 99,3 95,7 86,9 84,1 91,5 14,5 7, (контроль) СаCl2 116,6 112,0 94,0 96,0 104,6 16,5 9, НСР05 8,9 6,9 9,1 9,3 - - Так, при использовании некорневой обработки кустов хлоридом кальция отмечено увеличение высоты растений на 14,0, а количества бутонов – на 26,6 % (в сравнении с контролем). Особо следует отметить, что количество побегов у растений сорта Венделла под влиянием обработки увеличивается на 10 %. Этот факт свидетельствует об активизации формирования побегов у растений розы при использовании данного приема.
Направленное некорневое питание садовых растений соответствующими микро- и макроэлементами (бором и кальцием) в преддверии проявления температурного стрессора летнего периода способствует активизации комплекса защитно-приспособительных перестроек в растительном организме. В результате достигается оптимизация процессов жизнедеятельности растений, и в конечном счете - более полное проявление их потенциальной продуктивности даже в неблагоприятных условиях среды.
ВЫВОДЫ 1. В результате проведенных исследований определена совокупность физиолого-биохимических параметров садовых растений (яблоня, слива, черешня, чайно-гибридная роза), сопряженных с проявлением устойчивости к температурным стрессорам весенне-летнего периода.
2. Адаптация сортов плодовых культур (яблоня, черешня) к кратковременному охлаждению в весенний период происходит за счет активизации в генеративных органах растений процессов превращения крахмала в липиды, в составе которых преобладает доля ненасыщенных жирных кислот, обеспечивающих оптимизацию мембранной проницаемости в отношении молекул воды.
3. Важным диагностическим критерием устойчивости плодовых растений к весенним заморозкам является степень изменения под влиянием температурного стрессора содержания в цветках ИУК. У устойчивого сорта черешни Кавказская улучшенная этот показатель при кратковременном понижении температур увеличивается в 3,8 раза, в то время как у неустойчивого сорта Францис – только на 30%.
4. Повышенная регенерационная активность чайно-гибридной розы сорта Венделла является одним из показателей его способности переносить кратковременное понижение температуры в начале периода вегетации.
5. Использование борной кислоты (независимо от сроков е применения) способствует активизации генеративной деятельности плодовых растений (в том числе и при кратковременном понижении температуры в весенний период), приводящей к улучшению завязывания плодов и повышению хозяйственной продуктивности до 37% (на примере черешни). Обработка деревьев черешни борной кислотой перед началом периода вегетации обеспечивает ускорение созревания плодов на 8 дн.
6. Обработка деревьев черешни сорта Францис перед началом периода вегетации водным раствором глюкозы (концентрация – 3%) с добавлением глицерина (концентрация – 5%) обеспечивает активизацию синтеза липидов в генеративных органах, что обусловливает замедление (на 10 дн.) выхода из состояния вынужденного покоя, смещение на 3 дня фазы цветения и в результате – повышение устойчивости растений к весенним заморозкам. При этом увеличивается эффективность прохождения отдельных этапов органогенеза, а урожай плодов возрастает по сравнению с контролем в 2 раза.
7. По результатам оценки жароустойчивости изучаемых пород (культур) по их можно расположить в следующей последовательности (по возрастающей): чайно-гибридная роза, слива, яблоня.
8. Жароустойчивость сортов садовых культур сопряжена с относительной стабильностью содержания белков в листьях в неблагоприятных температурных условиях. Под влиянием высоких температур в листьях плодовых растений происходит закономерное снижение содержания белков, причем наиболее значительное (в 1,8 - 2, раза) - у неустойчивых сортов: сливы Стенлей и яблони Голден Делишес.
Этот и некоторые другие параметры, например содержание свободной аминокислоты пролина в листьях, целесообразно использовать для обоснованного подбора сортимента и рациональных приемов, обеспечивающих оптимизацию процессов жизнедеятельности растительного организма при действии экстремальных температур.
9. Установлен один из возможных защитных механизмов у растений чайно-гибридной розы при действии высоких температур воздуха – активизация формирования побегов, приводящая к улучшению декоративных качеств кустов в неблагоприятных условиях среды.
10. Способность садовых растений переносить действие высоких летних температур воздуха сопряжена с устойчивостью к проявлению окислительного стресса. Об этом свидетельствуют результаты сравнения соотношения каротиноидов и хлорофиллов в листьях контрастных по устойчивости сортов. Данный показатель у устойчивого сорта яблони Флорина в 1,5 раза больше, чем у неустойчивого Голден Делишес, а у сорта чайно-гибридной розы Венделла - на 27% выше, чем у Софи Лорен.
11. Направленное некорневое питание садовых растений соответствующими микро- и макроэлементами (бором и кальцием в преддверии проявления высоких летних температур воздуха способствует корректировки комплекса защитно-приспособительных реакций в растительном организме. Использование некорневой подкормки борной кислотой обеспечивает уменьшение степени повреждения листьев яблони высокими температурами, увеличение содержания белков в почках на 22%, активизацию закладки и дифференциации цветковых почек, а в итоге – повышение в следующем сезоне урожая плодов. Применение некорневой подкормки деревьев яблони хлоридом кальция способствует повышению концентрации протекторного соединения – пролина, ослабляет позднее (после июньского опадения) сбрасывание завязей и гарантирует увеличение урожая плодов на 26% в сравнении с контролем.
12. Использование некорневой подкормки растений чайно гибридной розы сорта Софи Лорен хлоридом кальция активизирует формирование побегов;
обеспечивает увеличение высоты растений на 14,0%, а количества бутонов – на 26,6% (в сравнении с контролем).
13. Доказана экономическая целесообразность применения некорневых подкормок садовых растений перед началом периода вегетации водным раствором глицерина и глюкозы, обеспечивающих увеличение уровня рентабельности на 74,4%, а деревьев яблони в преддверии наступления жаркой погоды – хлоридом кальция. При этом рентабельность возрастает в сравнении с контролем на 48,2%.
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 1. В многолетних насаждениях плодовых культур в качестве профилактических мер, ослабляющих негативное влияние заморозков, применять:
- перед началом периода вегетации некорневую обработку деревьев водным раствором глюкозы (концентрация - 3%) с добавлением глицерина (концентрация - 5%).
2. При воздействии высоких температур в летний период осуществлять некорневую подкормку садовых растений борной кислотой (концентрация - 0,03%) и раствором CaCl2 (концентрация - 0,3%);
3. Результаты исследований использовать при чтении лекций по дисциплинам: «Биоэкология плодовых культур» и «Физиология и биохимия сельскохозяйственных культур».
Список работ, опубликованных по теме диссертации В научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
1. Захарчук, Н.В. Физиолого-биохимические показатели устойчивости сортов яблони к весенним заморозкам и возможности их регуляции / Н.В. Захарчук, Т.Н. Дорошенко, Д.В. Максимцов // Труды Кубанского государственного аграрного университета. - 2011. - № 5(32). С. 72 – 76.
2. Дорошенко, Т.Н. Особенности некорневого питания плодовых растений при действии температурных стресс-факторов весенне-летнего периода / Т.Н. Дорошенко, С.С. Чумаков, Д.В. Максимцов // Плодоводство и ягодоводство России.- 2012. - Т. ХХХ. - С. 61 – 70.
3. Дорошенко, Т.Н. Адаптивный потенциал сортов чайно гибридных роз на юге России / Т.Н. Дорошенко, Д.В. Максимцов, С.С.
Чукуриди, Т.А. Копнина // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс].- Краснодар: КубГАУ, 2012. - № 02(76). С.1151 - 1162. - Режим доступа:
http://ej.kubagro.ru/2012/02/pdf/90.pdf 4. Дорошенко, Т.Н. Возможности диагностики устойчивости плодовых растений к весенним заморозкам: физиолого-биохимический аспект / Т.Н. Дорошенко, Д.В. Максимцов, В.Н. Бехтерев, А.М.
Кожевникова // Труды Кубанского государственного аграрного университета. -2012. - № 5 (38).- С. 65 – 67.
5. Дорошенко, Т.Н. Особенности реализации потенциала продуктивности плодовых растений в годы с погодными аномалиями / Т.Н. Дорошенко, С.С. Чумаков, Д.В. Максимцов // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ) [Электронный ресурс].- Краснодар: КубГАУ, 2012. - № 08 (82).- С. 913 - 931. - Режим доступа: http://ej.kubagro.ru/2012/08/pdf/63/pdf 6. Дорошенко, Т.Н. Диагностика и пути повышения жароустойчивости плодовых растений / Т.Н. Дорошенко, Д.В.
Максимцов // Труды Кубанского государственного аграрного университета. - 2013. - № 2 (41). - С. 72 - 76.
Статьи в других изданиях:
7. Максимцов, Д.В. Хозяйственно-биологическая характеристика сортов чайно-гибридных роз для ландшафтов предгорий / Д.В.
Максимцов // Земля – наш дом: материалы VI регион. студенческой науч.-практ. конф. (9 апреля 2009 г., г.Анапа). – Краснодар: АФ КубГАУ, 2009 г. – С.26 – 28.
8. Максимцов, Д.В. Засухоустойчивость и жаростойкость перспективных сортов роз для прикубанской зоны садоводства / Д.В.
Максимцов // Научное обеспечение агропромышленного комплекса:
материалы III всеросс. науч.-практ. конф. молод. ученых. – Краснодар:
КубГАУ, 2009. – С. 177 - 179.
9. Максимцов, Д.В. Хозяйственно-биологическая характеристика перспективных сортов роз для ландшафтного строительства на юге России / Д.В. Максимцов, Н.В. Захарчук, Т.Н. Дорошенко // Университет:
наука, идеи, решения (Научный журнал КубГАУ). – 2010. - №1. - С. 77 – 80.
10. Дорошенко, Т.Н. Возможности повышения устойчивости растений косточковых культур к весенним заморозкам / Т.Н. Дорошенко, С.С. Чумаков, Д.В. Максимцов // Приемы повышения адаптивности косточковых культур, вопросы осеверения и расширения границ садоводства: сб. материалов Международн. симп. / Науч.-произв. об-ние «Сад и огород». – Челябинск: Дом печати, 2011. - С. 128 – 130.
11. Максимцов, Д.В. Диагностические критерии заморозко устойчивости сортов яблони / Д.В. Максимцов // Научное обеспечение агропромышленного комплекса: материалы V всеросс. науч.-практ. конф.
молод. ученых. - Краснодар: КубГАУ, 2011. – С. 15 - 16.
12. Чумаков, С.С. Возможности регуляции плодоношения сливы при действии заморозков / С.С. Чумаков, Д.В. Максимцов // Биол. потенциал плодовых, ягодных и овощных культур в зоне Урала и инновац.
технологии в соврем. условиях агропр-ва: материалы Всеросс. науч. практ. конф. / Пермская ГСХА. - Пермь, 2012. – С. 157-160.
13. Оценка сортов яблони в связи с созданием адаптивных и органических садов в южном регионе России / Т.Н. Дорошенко, Л.Г. Рязанова, Н.В. Захарчук, Д.В. Максимцов, С.И. Митракова // Актуальные проблемы интенсификации плодоводства в современных условиях: материалы междунар. науч. конф., посвящ. 90-летию со дня рожд. д-ра с.-х. наук, профессора А. С. Девятова и 90-летию со дня рожд.
канд. биол. наук В.Н. Балобина.- Самохваловичи, 2013.- С. 122-125.