Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Агроэкологическая оценка морозостойкости сортов озимой пшеницы в лесостепи Поволжья

ВАК РФ 06.01.01, Общее земледелие

Автореферат диссертации по теме "Агроэкологическая оценка морозостойкости сортов озимой пшеницы в лесостепи Поволжья"

На правах рукописи

005534491

Городничев Андрей Александрович

АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА МОРОЗОСТОЙКОСТИ СОРТОВ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ В ЛЕСОСТЕПИ ПОВОЛЖЬЯ

Специальность: 06.01.01 - общее земледелие, растениеводство

06.01.05 - селекция и семеноводство сельскохозяйственны* растений

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

1 О (ЖТ 2013

Пенза 2013

005534491

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»

Научные руководители: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Стаценко Александр Петрович

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Кривобочек Виталий Григорьевич

Официальные оппоненты: Карпова Лидия Васильевна

доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры «Селекция и семеноводство ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА»

Горячева Анна Александровна кандидат сельскохозяйственных наук, доцент, зав. Кафедрой «Биотехнологии и техносферная безопасность» ФГБОУ ВПО «Пензенский ГТУ»

Ведущая организация: Государственное научное учреждение «Самарский научно-исследовательский институт сельского хозяйства имени Н.М. Тулайкова Россельхозакадемии»

Защита состоится «25 »октября 2013 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 220.053.01 при ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия» по адресу: 440014, г. Пенза, пос. Ахуны, ул. Ботаническая, 30

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия»

Автореферат разослан «Я.Ц » С.2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Щ^ХЦ ^ ВА- Гущина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Ведущей зерновой культурой Поволжья является озимая пшеница. В последнее время ее посевные площади значительно выросли и составляют более 2 млн. га, а урожайность по региону составляет в разные по погодным условиям годы от 1,0 до 2,8 т/га.

Существенный вклад в производство зерна в Поволжье вносит Пензенская область, где под озимой пшеницей занято около 600 тыс.га. Несмотря на то, климат этой зоны является относительно благоприятным для ее культивирования, в отдельные неблагоприятные по условиям перезимовки годы посевы озимых культур массово гибнут в результате вымерзания. Это является одной из основных причин существенного снижения урожайности озимой пшеницы, которая сегодня не превышает 2 т/га. Одной из главных причин низкой морозостойкости, зимостойкости и урожайности являются изъяны в технологии возделывания, в частности, неверный выбор предшественников в севообороте, нарушение сроков посева, что нарушает процессы осеннего роста, развития и закалки растений к морозу.

Кроме того, создание и внедрение в производство новых интенсивных сортов озимой пшеницы требует корректировки технологических приемов, что способствует повышению морозостойкости, зимостойкости и урожайности.

Проведенные ранее исследования позволили накопить богатый материал по технологии возделывания озимой пшеницы в лесостепной зоне Поволжья (Огарев В.Ф., Шестаков В.Е., 1972; Преснякова E.H., 2001; Чирков А.И., 2003; Орлов A.A., 2004; Балеев Д.Н., 2007; Стаценко А.П. и др., 2012,2013).

В то же время остается малоизученным механизм формирования морозостойкости озимых под влиянием различных элементов агротехнологии (предшественников, сроков посева), а также сортовая специфичность формирования устойчивости растений к воздействию неблагоприятных температурных условий зимнего периода.

В связи с этим наши исследования, направленные на изучение роли предшественников, сроков посева и сорта на формирование морозостойкости озимой пшеницы, являются актуальными и перспективными.

Цели и задачи исследований. С помощью биохимических показателей (степени накопления в вегетативных органах продуктов азотного и углеводного обмена и изменчивости ферментных систем пероксидазы и ß-фруктофуранозидазы) оценить влияние типичных предшественников и сроков посева на формирование морозостойкости новых районированных и перспективных сортов озимой пшеницы.

Для достижения поставленной цели предполагается решить следующие задачи:

- провести анализ основных причин гибели озимой пшеницы при

перезимовке;

- изучить и теоретически обосновать влияние предшественника в севообороте на формирование морозостойкости озимой пшеницы;

3

- исследовать механизм влияния сроков посева на формирование морозостойкости озимой пшеницы;

- разработать геометрическую модель морозостойкости озимой пшеницы;

- изучить перспективы использования продуктов углеводного и азотного обмена, степени изменчивости ферментов пероксидазы и Р-фруктофуранозидазы в диагностике морозостойкости районированных и перспективных сортов озимой пшеницы;

- дать оценку адаптивных свойств и экологической пластичности районированных и перспективных сортов озимой пшеницы.

Научная новизна. На основе эколого-климатического анализа региона уточнена динамика структуры гибели озимой пшеницы. Выявлена четко выраженная тенденция изменения этой структуры под воздействием глобального потепления климата.

Впервые с помощью комплекса биохимических параметров дана теоретическая и практическая оценки влияния основных предшественников и сроков посева на морозостойкость и зимостойкость озимой пшеницы.

Установлена тесная корреляционная связь между ведущими агрометеорологическими параметрами, степенью накопления в вегетативных органах растений продуктов углеводного и азотного обмена, количественной и качественной изменчивостью ферментов пероксидазы и Р-фруктофуранозидазы, зимней выживаемостью и урожайностью озимой пшеницы.

С помощью комплекса биохимических параметров проведена оценка районированных в регионе и перспективных сортов озимой пшеницы.

Дана оценка адаптивных свойств и экологической пластичности районированных и перспективных сортов озимой пшеницы.

Разработана геометрическая модель морозостойкости озимой пшеницы.

Установленные факты тесной взаимосвязи комплекса биохимических факторов с выживаемостью и урожайностью углубляют наши представления о механизме морозостойкости и зимостойкости озимых растений.

Практическая значимость. На основе комплексной биохимической оценки выявлены предшественники озимой пшеницы и сроки посева, обеспечивающие высокую морозостойкость, зимостойкость и урожайность. Кроме того, при оценке 15 районированных и перспективных сортов озимой пшеницы выявлены наиболее морозостойкие и зимостойкие образцы, которые рекомендуются использовать в селекционной практике для возделывания в регионе.

В процессе проведения исследований был разработан новый метод проращивания семян с последующей оценкой морозостойкости проростков, где в качестве субстрата используется 10%-ный агаровый гель, позволяющий упростить процесс проращивания и повысить точность определения.

Основные положения, выносимые на защиту:

- потепление климата и структура гибели озимых;

4

- влияние предшественников и сроков посева на формирование морозостойкости и зимостойкости озимой пшеницы;

- характеристика районированных и перспективных сортов озимой пшеницы по признаку морозо- и зимостойкости;

- геометрическая модель морозостойкости озимой пшеницы.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены на международных и всероссийских конференциях, проходивших в г. Пенза (2011 г.), г. Уфа (2011 г.), г. Москва (2013 г.), г. Липецк (2013г.).

Публикации результатов исследований. По материалам диссертации опубликовано восемь научных работ, три из которых в изданиях из перечня, рекомендованного ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, десяти глав, выводов и предложений по производству и селекционной практике. Работа изложена на 139 страницах компьютерного текста, содержит 28 таблиц, 8 рисунков и 2 приложения. Список литературы включает 205 наименований, в том числе 25 авторов из дальнего зарубежья.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Почвенно-климатнческие условия. Местом проведения наших исследований служили опытные поля Пензенского НИИ сельского хозяйства, расположенные в северной части Пензенской области и ТОО «Елань» Ртищевского района Саратовской области. Они расположены на западном склоне Приволжской возвышенности, а по ландшафтным особенностям эта территория относится к лесостепной зоне Среднего Поволжья.

Умеренно-континентальный климат зоны характеризуется значительным колебанием относительной влажности воздуха, температуры и неравномерностью распределения осадков, как в течение всего года, так и по годам.

Годовое количество осадков колеблется от 450 до 500 мм. Во влажные годы количество осадков увеличивается до 775 мм в год, а в засушливые понижается до 350 мм в год.

Период активной вегетации растений составляет 135 - 147 дней. Безморозный период - 118 - 139 дней. Последние весенние заморозки наблюдаются во второй декаде мая. Средняя дата первого заморозка 21-26 сентября (Агроклиматические ресурсы, 1972).

Устойчивый снежный покров образуется в конце ноября и сохраняется 128 - 135 дней. Среднегодовой запас влаги в снеге - 900 м /га, а среднегодовая высота снежного покрова 35 см.

Методика полевых и лабораторных исследований.

Предшественниками озимой пшеницы в наших исследованиях служили:

- сидеральный пар (донник желтый);

- сидеральный пар (редька масличная + вика посевная);

5

- черный пар;

- пласт многолетних трав (клевер);

- кукуруза.

В опыте по срокам посева озимая пшеница высевалась по чистому пару 25 августа, 5 сентября, 20 сентября и 5 октября. Площадь делянки -50 м2, размещение делянок - систематическое. Повторение опыта четырехкратное. Норма высева - 5,5 млн. всхожих семян на 1 га.

Оценка зимостойкости сортов озимой пшеницы проводилась по Методике государственного испытания сельскохозяйственных культур (1985).

Экспериментальная работа по изучению формирования морозостойкости растений озимой пшеницы проводилась в лаборатории экологии Пензенского государственного университета предусматривала использование серии лабораторных методов:

- содержание в листьях аминного азота определялось с помощью микрометода описанного Б.П. Плешковым (1985);

концентрация свободного пролина в вегетативных органах определялась по методу Бэйтса (L. Bates et all, 1973);

- концентрация редуцированных Сахаров определялась по методике, описанной Х.Н. Починком (1976);

- выделение фермента пероксидазы из вегетативных органов пшеницы осуществлялось по методике С.Б. Кабжановой и Ю.В. Перуанского (1975), а определение общей активности проводилось по методике О.В. Лебедевой и др. (1977);

- электрофорез пероксидазы проводился в полиакриламидном геле;

-активность отдельных изопероксидаз оценивалась по методике Лиу

(E.H.Liu, 1973);

- активность фермента р - фруктофуранозидазы определялась по методике описанной Х.Н.Починком (1976).

Морозостойкость озимой пшеницы в лабораторных условиях оценивалась методом прямого промораживания растений в холодильной камере по методике Г.А. Самыгина (Барашкова Э.А., Виноградова В.В., 1988).

Математическая обработка результатов исследований была проведена по методике Б.А. Доспехова (1979) на ПЭВМ с использованием MS Excel, Statistica 4,5 и пакета программ биометрико - генетического и статистического анализа экспериментальных данных в растениеводстве и селекции «AGROS 2.09», который был разработан отделом статистического анализа Российской академии сельскохозяйственных наук в 1993-1999гг.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЕ ПРЕДШЕСТВЕННИКОВ НА МОРОЗОСТОЙКОСТЬ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ.

Морозостойкость озимой пшеницы оценивалась нами по степени накопления пролина. Сезонная динамика данной аминокислоты рассматривается нами на примере экспериментального материала, полученного в полевом опыте 2010 - 2011 гг. (табл. 1).

б

В более теплый период осени, когда среднесуточная температура воздуха составляла 17-21°С и растения находились в фазе всходов, концентрация свободного пролина в посевах пшеницы, размещаемой по всем изучаемым предшественникам, была наименьшей, а разница между вариантами - несущественной.

Таблица 1 -Влияние предшественника на накопление пролина в листьях озимой пшеницы Безенчукская 380 (данные 2010-2011гг.)

Сроки отбора образцов Температура воздуха, °С Содержание пролина, мг%

чистый пар пласт многолетних трав кукуруза сидеральный пар (донниковый)

15 сентября 21 7 8 8 8

10 октября 13 9 11 13 12

7 ноября -7 20 16 15 18

20 января -20 44 32 28 39

25 января 0 21 23 20 28

10 февраля -22 47 35 30 41

20 марта 3 21 26 23 29

5 апреля 11 14 12 18 20

16 апреля 21 9 10 15 14

Выживаемость растений, % 80 66 61 67

Урожайность, т/га 1,13 0,82 0,74 0,93

Коэффициент корреляции -0,92 -0,85 -0,79 -0,86

HCPos (по урожайности) = 2,8 НСРоб (по выживаемости растений) = 4,1

Примечание. Погрешность цифрового экспериментального материала по содержанию пролина составляет не более 5%.

К концу осенней вегетации растения озимой пшеницы содержали в вегетативных органах относительно малое количество свободного пролина. Умеренная температура воздуха и почвы способствовали активизации ростовых процессов, что привело к использованию аминокислоты в биосинтетических процессах.

Повышенная концентрация свободного пролина в растениях озимой пшеницы, размещенных в севообороте по непаровым предшественникам и, в частности, по кукурузе, дает основание сделать вывод, что худшие условия, создаваемые на этих полях, не обеспечивают интенсивного роста и развития растений.

Максимальное накопление пролина в листьях озимой пшеницы было зафиксировано в критический период перезимовки (январь - февраль), в то

время, когда температура воздуха опускалась ниже -20°С, а температура почвы - ниже -10 ... -20 °С. При этом в пшенице, размещаемой по черному пару, концентрация аминокислоты была значительно выше, чем по другим предшественникам (в пределах 45-51 мг%). Максимальная концентрация аминокислоты (47 мг%) была зафиксирована в феврале при минимальной температуре -22°С. В это же время растения, размещенные по сидеральному пару накапливают намного меньше пролина в листьях (33-41 мг%). Содержание свободной аминокислоты по непаровым предшественникам в этот период составляет: по пласту многолетних трав (30-35мг%), по кукурузе -менее 30мг%, что существенно уменьшает сохранность растений при перезимовке. В период оттепели, с повышением дневной температуры до 0 °С (25.01.2010 г.) концентрация пролина в листьях озимой пшеницы резко уменьшается, причем ярче всего это проявляется в растениях с парового предшественника. Содержание аминокислоты по сидеральному пару снижается на 8-11 мг%, по черному пару — более чем на 23 мг%, по пласту многолетних трав - на 7-9 мг%, по кукурузе не превышает 6-8 мг%.

В данном случае динамика содержания изучаемой аминокислоты по паровому предшественнику говорит о лучшей приспособленности этих растений к резким изменениям температуры, что многократно подтверждается при последующем снижении температурного показателя, при котором концентрация пролина по чистому пару увеличивается практически в 2 раза.

Коэффициенты корреляции, приведенные в таблице 1, подтверждают наличие тесной коррелятивной связи между температурой воздуха и содержанием пролина в растениях озимой пшеницы, размещаемой по различным предшественникам.

Таким образом, при закалке и в критические периоды перезимовки наиболее активно накапливают криозащитную аминокислоту растения, размещаемые по паровому предшественнику, особенно по черному пару.

ФОРМИРОВАНИЕ МОРОЗОСТОЙКОСТИ ПШЕНИЦЫ ПОД ВЛИЯНИЕМ

СРОКОВ ПОСЕВА

Для оценки зимнего состояния озимой пшеницы различных сроков посева использовлся показатель накопления в вегетативных органах криозашитной кислота пролина.

Общие закономерности влияния сроков посева пшеницы на накопление свободного пролина в вегетативный органах и морозостойкость растений наиболее четко прослеживаются на примере контрастных по влагообеспеченности — 2011-2012 и 2012-2013 годов и подтверждаются средними многолетними показателями (табл. 2).

В 2011-2012 влагообеспеченном году низкая концентрация аминокислоты осенью отмечалась в сентябрьских и, особенно, августовских посевах, что, очевидно, связано с активным протеканием ростовых процессов, когда пролин испульзуется в синтезе структурных белков. Большим содержанием аминокислоты в этот срок отличались растения августовского

8

посева, что является признаком их замедленного роста. Снижение температуры обусловило резкое возрастание содержания криозащитной аминокислоты. Особенно активная реакция на изменчивость температуры проявилась в листьях растений сентябрьского срока посева, тогда как физиологически старые растения пшеницы августовского и слаборазвитые растения октябрьского срока посева имели слабую адаптивную реакцию, что подтверждается меньшим накоплением пролина в вегетативных органах при снижении температуры.

Таблица 2 - Влияние сроков посева на динамику пролина в листьях, перезимовку и урожайность озимой пшеницы Безенчукская 380

Сроки посева Содержание пролина, мг% Выживаемость к весне,% Урожайность, т/га

октябрь ноябрь январь март

1 2 3 4 5 6 7

Влагообеспеченные годы (2011-2012,2012-2013 гг.)

25 августа 16,0 21,3 48,6 14,7 75,4 1,86

5 сентября 12,2 25,7 64,9 11,5 86,3 2,09

20 сентября 13,5 27,6 70,0 10,8 88,2 2,18

5 октября 17,1 18,3 39,0 18,3 71,0 1,60

НСР05 (по урожайности) = 0,3 НСР05 (по выживаемости) = 3,3

Засушливые годы (2010-2011 г.)

25 августа 11,5 24,8 53,3 14,9 71,8 1,13

5 сентября 15,3 40,2 29,9 18,4 65,5 1,07

20 сентября 14,9 21,6 42,8 17,6 59,2 0,64

5 октября 18,0 18,7 26,3 22,3 53,9 0,59

НСР05 (по урожайности) = 0,2 НСР05 (по выживаемости) = 3,7

Зимнее похолодание, которое наступило в декабре (20-27.12), привело к увеличению концентрации свободного пролина.

В критический период зимовки (25.01), когда среднесуточная температура воздуха снизилась до -21, а почвы - до -16 °С, содержание пролина в вегетативных органах резко возросло и достигло максимума. Наибольшие абсолютные значения концентрации криопротектора были зарегистрированы в вегетативных органах сентябрьского посева (20.09), что составило 70мг% . В то же время, минимальное накопление пролина зарегистрировано в вегетативных органах растений октябрьского срока 39мг%.

Следует отметить, что урожайность озимой пшеницы в наших исследованиях тесно коррелирует с морозостойкостью и зимней выживаемостью (табл. 2).

ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА МОРОЗОСТОЙКОСТИ СОРТОВ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ

Использование продуктов углеводного обмена. Наши исследования показали, что положительная осенняя температура практически не влияла на накопление редуцированных Сахаров в листьях растений изучаемых сортов (табл. 3).

Таблица 3 - Сортовая специфичность динамики редуцированных Сахаров и перезимовка озимой пшеницы

Сорт пшеницы Количество редуцированных Сахаров, % от суммы Выживаемость к весне, % Урожайность, т/га

октябрь ноябрь 1 январь март

1 2 3 4 5 6 7

Влагообеспеченный год (2011-2012гг.)

Мироновская 808 20,8 25,6 33,4 18,4 91,1 2,20

Смуглянка 21,4 21,9 28,4 19,1 87,4 2,11

Оренбургская 105 21,1 21,5 27,1 19,9 84,9 1,83

Кинельская 5 28,9 24,6 25,9 24,3 72,6 1,59

НСР05 (по урожайности) = 0,4 НСР05 (по выживаемости) = 2,3

Засушливый год (2010-2011гг.)

Мироновская 808 16,4 21,5 28,3 16,1 76,3 1,04

Смуглянка 18,4 19,6 23,4 18 71,6 0,70

Оренбургская 105 18,1 19,4 22,7 18,4 74,1 0,72

Кинельская 5 18,9 20 21,4 18,5 62,9 0,59

НСРоз (по урожайности) = 0,3 НСР05 (по выживаемости) = 2,7

Примечание. Погрешность в опыте не превышает 3%.

Концентрация углеводов в этой группе растений, находящихся в фазе начала кущения, была относительно низкой. Межсортовые различия в уровне накопления криопротекторов в этот период обусловлены, очевидно, генотипически. Более высоким уровнем накопления редуцированных Сахаров отличался сорт Кинельская 5. В то же время достоверных различий между другими изучаемыми сортами не отмечалось.

Закалочные температуры ноября не оказывали существенного влияния на изменчивость углеводного обмена, что выразилось в незначительном сдвиге концентрации углеводов данной группы в сторону увеличения только в растениях сорта Мироновская 808, в то время как другие сорта не проявляли биохимической реакции на изменение температурного режима, что свидетельствует о менее активном протекании процесса закаливания.

Зимние температуры января, близкие к летальным, внесли существенные перемены в углеводный обмен, при этом концентрация редуцированных Сахаров в растениях пшеницы всех изучаемых сортов

достигла максимальных значений. Абсолютный максимум в это время зафиксирован в листьях сорта Мироновская 808, где содержание углеводов изучаемой группы достигло 33,4 %.

Сорта пшеницы Смуглянка и Оренбургская 105 проявили в этот срок более низкую ответную реакцию на температурный стресс, что подтверждается меньшим накоплением защитных групп Сахаров. Слабым уровнем ответной реакции в критический период зимовки отличался сорт пшеницы Кинельская 5, у которого накопление редуцированных Сахаров было ещё менее существенным.

Наступление весенней оттепели существенно повлияло на динамику редуцированных Сахаров в растениях озимых. В частности, более активная реакция на оттепель отмечается у сорта Мироновская 808, у которого концентрация Сахаров весной снижалась. В листьях сорта Кинельская 5 перед возобновлением весенней вегетации лабильность углеводного обмена была самая низкая, а расход Сахаров изучаемой группы в связи с активизацией биосинтетических процессов - минимальный.

Результаты перезимовки озимых, приведенные в таблице 3, подтверждают объективность оценки изучаемых сортов.

В засушливый год яркий контраст в количественной изменчивости редуцированных Сахаров в критические периоды зимовки проявился только в растениях сорта Мироновская 808, которые интенсивно накапливали сахара и, тем самым, проявили в условиях криошока повышенный адаптивный потенциал. В то же время адаптивный потенциал Оренбургской 105, Смуглянки и особенно Кинельской 5 был ниже, что подтвердилось результатами зимней выживаемости растений.

Следует отметить, что в засушливый год доля редуцированных Сахаров в листьях всех изучаемых сортов была значительно ниже - на 19...20 %, что, очевидно, обусловило более низкую (на 10... 15 %) выживаемость растений к весне.

Следовательно, показатель накопления редуцированных Сахаров в вегетативных органах в процессе закаливания и перезимовки озимых является объективным тестом, который можно рекомендовать к использованию в селекционной практике для оценки морозостойкости новых сортов и исходного материала в селекции озимой пшеницы.

ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРМЕНТНЫХ СИСТЕМ В ДИАГНОСТИКЕ МОРОЗОСТОЙКОСТИ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ

Изменчивость пероксидазы. В осенний период, при положительной среднесуточной температуре воздуха и почвы, удельная активность пероксидазы в листьях и корнях всех изучаемых сортов озимой пшеницы была относительно низкой (табл. 3).

Причем, минимальные значения были зафиксированы в этот срок в корнях у сорта Фотинья.

И

Таблица 3 - Сортовые особенности сезонной динамики удельной активности пероксидазы и перезимовка озимой пшеницы

Удельная активность пероксидазы, ед. Выжива- Урожай-

Сорта пшеницы октябрь г = ю-12°С ноябрь 1 = 0...-2°С январь -20...-22°С март Х = 5-8 °С емость к весне, % ность, т/га

1 2 3 4 5 6 7

Влагообеспеченные годы (2011-2012,2012-2013 гг.)

Бирюза листья 0,60 0,72 1,10 0,60 76,4 2,03

корпи 0,64 0,79 1,21 0,62

Безенчукская 380 листья 0,53 0,72 1,05 0,56 72,1 1,86

корни 0,58 0,75 1,15 0,59

Фотинья

листья 0,46 0,81 1,40 0,49 89,9 2,17

корни 0,52 0,89 1,56 0,54

НСР05 (по урожайности) = 0,4 НСР05 (по выживаемости) = 3,2

Засушливые годы (2010-2011 гг.)

Бирюза листья 0,54 0,65 0,95 0,60 71,8 1,01

корни 0,57 0,70 1,09 0,64

Безенчукская 380 листья 0,52 0,64 0,83 0,63 68,2 0,84

корни 0,55 0,69 0,98 0,69

Фотинья

листья 0,50 0,71 1,04 0,54 • 74,4 1,15

корни 0,56 0,77 1,12 0,60

НСР05 (по урожайности) = 0,3 НСР05 (по выживаемости) = 2,7

В период прохождения закалки, когда температура опускалась ниже 0°С, удельная активность фермента в вегетативных органах пшеницы изучаемых сортов существенно возрастала. В наибольшей степени она изменялась у сорта пшеницы Фотинья. В критические периоды зимовки (январь — февраль), когда среднесуточная температура воздуха опускалась до -20...-22 °С, активность фермента в листьях и корнях этого сорта достигала 1,40 - 1,56 ед. Сорта Безенчукская 380 и Бирюза в этот срок отличались низкой пероксидазной активностью: в листьях - в пределах 1,05 - 1,10, а в корнях— 1,15 - 1,21 ед.

Причем, достоверных различий между ними не отмечалось. В период возобновления весенней вегетации, когда среднесуточная температура воздуха устойчиво переходила к положительным значениям, удельная активность

пероксидазы в листьях и корнях пшеницы резко снизилась. При этом, наиболее активная реакция фермента при возврате заморозков проявлялась у сорта Фотинья.

Анализ результата экспериментов показал, что наиболее тесная корреляция удельной активности пероксидазы с температурным режимом среды отмечалась в листьях растений сорта Фотинья (г =- 0,91), тогда как более слабая сопряженность этих показателей была характерна для сортов Безенчукская 380 и Бирюза (г = -0,74 и - 0,82). Это свидетельствует о высоких адаптивных возможностях растений сорта Фотинья в условиях гипотермии.

В засушливые годы (2010-2011гг.) общая закономерность изменчивости удельной пероксидазы не изменилась, в то же время абсолютный максимум для этого показателя в критические периоды зимовки снизился, а контрастность между сортами уменьшилась. Это свидетельствует о слабой закалке растений, что подтверждается результатами перезимовки, приведенными в табл. 3.

Анализ количественной изменчивости изопероксидаз показал, что в процессе адаптации к морозам у различных сортов озимой пшеницы происходят специфические, генетически детерминированные изменения относительной активности отдельных изопероксидаз вегетативных органов растений. Среди изучаемых сортов по этому показателю зафиксированы существенные адаптивные различия.

Динамика относительной активности изозимов пероксидаз изучаемых сортов представлена в табл. 4.

Таблица 4 -Сортовые особенности сезонной динамики суммарной активности изопероксидаз А, В, С - групп и перезимовка озимой пшеницы

Суммарная активность фермента, %

Сорта пшеницы А - зона В - зона С - зона

листья корни листья корни листья корни

1 2 3 4 5 6 7

Влагообеспеченные годы (2011-2012,2012-2013 гг.)

Бирюза

осень 27 24 35 34 48 42

зима 43 46 28 26 30 28

Безенчукская 380 49

осень 30 27 25 24 45

зима 39 35 32 30 49 35

Фотинья

осень 30 29 24 22 46 49

зима 62 66 24 20 14 14

Засушливые годы (2010-2011 г.)

Бирюза 33

осень 32 29 37 38 31

зима 44 48 36 33 20 19

1 2 3 4 5 6 7

Безенчукская 380

осень 30 26 27 25 43 49

зима 35 38 30 30 35 32

Фотинья

осень 38 42 26 23 36 35

зима 51 57 28 26 21 17

Аналогично предыдущему опыту с Безенчукской 380, для всех изучаемых сортов озимой пшеницы характерно наличие среди изозимов пероксидазы трех групп компонентов: прямокоррелирующих, обратно коррелирующих и «инертных» по отношению к температурному режиму. Причем, обратнокоррелирующие изозимы в своем большинстве являются медленно подвижными компонентами и концентрируются в А-зоне элекгрофоретического спектра. «Быстрые» изозимы С-зоны, как правило, имеют положительную корреляцию с температурным режимом среды, В-зона включает компоненты, как с положительной, так и с отрицательной зависимостью.

Общие закономерности количественной изменчивости изопероксидаз наиболее четко прослеживаются во влагообеспеченные годы.

Анализ показывает, что у сорта Фотинья доля относительной активности изозимов пероксидазы катодной части элекгрофоретического спектра в критических по температурному фактору условиях перезимовки (конец января - начало февраля) составляла 57-66 %, тогда как у сорта Безенчукская 380 этот показатель не превышал 48 %.

Особенно контрастно эта закономерность проявлялась у фермента корней, где разница между изучаемыми величинами возросла до 20%.

Следует отметить, что в засушливые годы эти закономерности в целом подтверждаются, но с меньшей межсортовой контрастностью.

Результаты опыта свидетельствуют о том, что растения сорта Фотинья, исходя из специфики количественной изменчивости изоперксидаз, значительно более адаптированы в условиях криостресса, что подтверждается приведенными в таблице 4 данными результатов их зимней выживаемости.

Активность р - фруктофуранозидазы. Нами предпринята попытка изучить возможность использования показателя гидролитической активности Р - фруктофуранозидазы в диагностике морозостойкости различных сортов озимой пшеницы.

Анализ результатов лабораторного эксперимента показал, что исходная гидролитическая активность фермента р-фруктофуранозидазы в проростках всех испытуемых сортов была относительно низкой, а сортовая специфичность по изучаемому биохимическому признаку не проявилась (табл.5).

Таблица 5- Сортовые особенности гидролитической активности Р-фруктофуранозидазы и морозостойкость озимой пшеницы.

Сорт пшеницы Активность фермента, мг/г/час Индекс стойкости Группа стойкости (выживаемость, %)

до охлаждения после охлаждения

1 2 3 4 5

Эритроспермум 16/01-7-04 (Клавдия) 4,7 18,8 4,0 морозостойкая (92)

Фотинья 5,1 21,4 4,2 морозостойкая (96)

Мироновская 808 4,9 16,2 3,3 морозостойкая (79)

Бирюза 5,4 20,5 3,8 морозостойкая (87)

Безенчукская 380 5,2 18,7 3,6 морозостойкая (80)

Золушка 5,8 16,8 2,9 среднеморозостойкая (76)

Смуглянка 4,7 11,3 2,4 среднеморозостойкая (67)

Эритроспермум 2/01-3-04 6,2 16,7 2,7 среднеморозостойкая (72)

Оренбургская 105 6,0 11,4 1,9 среднеморозостойкая (63)

Кинельская 5 5,9 15,3 2,6 среднеморозостойкая (70)

Базальт 6,1 8,5 1,4 слабоморозостойкая (49)

Лютесценс 2/0117-04 4,9 5,9 1,2 слабоморозостойкая (43)

Безенчукская 616 5,3 6,9 1,3 слабоморозостойкая (45)

Эритроспермум 12/00-16-04 5,8 5,8 1,0 слабоморозостойкая (42)

Санта 6,2 6,8 1Д слабоморозостойкая (40)

НСР 05 0,3 0,7 0,2 1,8

Охлаждение и последующее промораживание проростков способствовало изменению гидролитической активности фермента в листьях испытуемых сортов. Причём наиболее значительную активизацию фермента регистрировали у сортов озимой пшеницы Эритроспермум 16/01-7-04

(Клавдия), Фотинья, Мироновская 808, Бирюза и Безенчукская 380, где степень возрастания активности была максимальной. Это позволило отнести названные сорта к группе морозостойких, что подтвердилось высоким процентом выживаемости проростков после промораживания в холодильной камере при -16- -18 °С. Менее существенной изменчивостью ферментативной активности в условиях низкотемпературного стресса отличались сорта озимой пшеницы Золушка, Смуглянка, Эритроспермум 2/01-3-04, Оренбургская 105 и Кинельская 5. Это свидетельствует о более низкой степени подготовленности растений противостоять отрицательным температурам, в связи с чем они отнесены к группе среднеморозостойких, что подтвердилось более низким процентом выживаемости при промораживании. Слабая ответная реакция растений на низкотемпературный стресс, судя по незначительной изменчивости фермента, проявилась у сортов озимой пшеницы Базальт, Лютенсценс 2/01-17-04, Безенчукская 616, Эритроспермум 12/00-16-04 и Санта, где индекс стойкости не превышал 1,50, а выживаемость проростков при промораживании была не более 76%. Это позволило отнести название сорта к группе слабоморозостойких.

АДАПТИВНЫЕ СВОЙСТВА И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ПЛАСТИЧНОСТЬ

Нами проведен анализ адаптивных свойств новых сортов озимой пшеницы, являющихся перспективными, а также сортов, которые используются в производстве Пензенской области. При анализе адаптивных свойств прослеживалась связь между морозостойкостью, зимостойкостью и продуктивностью сортов озимой пшеницы. Нами были рассмотрены девять сортов пшеницы в одиннадцати пунктах (табл. 7).

Таблица 7 - Урожайность сортов озимой пшеницы, т/га (2011-2013 гг.)

Сорт Пункты*

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Фотинья 2,85 1,02 3,67 1,65 1,50 0,99 2,58 2,67 2,28 2,96 3,29

Мироновская 808 2,26 U3 3,36 1,25 1,71 1,25 2,43 2,80 2,11 3,17 3,17

Бирюза 2,45 0,96 3,74 1,11 2,46 0,44 0,80 2,92 2,98 3,21 3,97

Безенчукская 380 2,96 1,09 3,71 1,44 1,73 1,42 2.39 2,11 1,97 2,72 3,96

Клавдия 2.68 1,19 3,05 1,14 1,57 1,49 2,28 2,02 1,83 2,97 3,23

Смуглянка 0,99 0,41 2,45 0,68 1,33 0,52 0,43 2,30 1,56 2,47 2,71

Оренбургская 105 2,68 1,03 4,14 1,31 1,87 1,13 2,56 2,94 2,29 2,95 3,86

Кинельская 5 1,66 0,62 1,64 0,59 1,59 0,94 3,73 1,47 2,43 2,93 2,08

Эритроспермум 12/00-16-04 3,31 0,32 2,82 1,01 2,33 0,53 0,73 1,69 3,04 2,56 3,22

♦Примечание . 1. Бековский ГСУ по чистому пару; 2. Каменский ГСУ по чистому пару; 3. Колышлейский ГСУ по чистому пару; 4. Лунинский ГСУ по чистому пару; 5. Бековский ГСУ по занятому пару; 6. Каменский ГСУ по

занятому пару; 7. Кузнецкий ГСУ по занятому пару; 8. Колышлейский ГСУ по занятому пару; Лунинский ГСУ по занятому пару; 10. Опыты за первый год исследований (2010-2011гг.); 11. Опыты за второй и третий года исследований (2011-2012 и 2012-2013 гг.).

Нами был установлен факт отсутствия или наличия взаимодействия «среда - генотип» для всей совокупности исследуемых сортов с помощью дисперсионного анализа (табл. 8).

Таблица 8 - Результаты дисперсионного анализа двухфакторного опыта

(2010-2013 гг.)

Дисперсия Сумма квадратов Степени свободы Средний квадрат F

Ф 05

Общая 1913,5 66 - - -

Пункты (А) 201,3 1 201,3 106,2 4,05

Сорта (В) 1146,5 10 114,7 60,2 2,03

Взаимодействие (AB) 482,4 10 48,2 25,6 2,03

Остаток (ошибка) 83,3 45 1,9 - -

Данные дисперсионного анализа доказывают существенное влияние генотипа, условий среды и их взаимодействия на урожайность сортов озимой пшеницы.

Различия между генотипами в изменяющихся условиях возделывания позволили оценить параметры стабильности и адаптивной способности различных сортов озимой пшеницы.

Проведенный анализ показал, что наибольшими эффектами общей адаптивной способности (ОАС) обладают сорта: Оренбургская 105, Бирюза, Безенчукская 380 и Эритроспермум 12/00-16-04. Самыми нестабильными, среди изучаемых, оказались сорта Эритроспермум 12/00-16-04, Кинельская 5, Оренбургская 105, и Смуглянка. Данные сорта в наименьшей степени адаптированы к различным условиям произрастания. Также следует отметить тот факт, что сорта, показавшие высокую ОАС, оказались менее стабильными.

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МОРОЗОСТОЙКОСТИ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ

Процесс построения геометрической модели морозостойкости озимой пшеницы был основан на следующих параметрах: минимальная температура почвы на уровне узла кущения, концентрация редуцированных Сахаров, свободного пролина, удельная активность пероксидазы в листьях в критический период зимовки и выживаемость растений в процессе перезимовки. Четыре первых показателя принимались нами за исходные, последний (пятый) — за результативный.

Этот процесс нами представлен как «черный ящик», который связывает исходные и результативные параметры. Цель построения геометрической

17

модели: выявить конструкцию «черного ящика». Для построения геометрической модели использовался традиционный метод предельного геометрического моделирования (Вальков К.И., 1970;1987). Названный метод позволяет построить в пятимерном пространстве конструкцию из 14 точек, привязанных к прямоугольной декартовой системе координат.

Полученная конструкция обладает наглядностью и позволяет без особых трудностей провести ее анализ с целью выявления закономерностей, раскрывающих устройство «черного ящика», содержание которого является геометрической моделью морозостойкости озимой пшеницы.

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ СОРТОВ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ

Проведенный нами анализ данных, показывает, что наибольший чистый доход (6591 тыс.руб/га) получен от выращивания сорта Клавдия. Уровень рентабельности составил 137,1 %. При выращивании стандартного сорта Безенчукская 380 условный чистый доход составил 6021 тыс.руб/га, уровень рентабельности равен 125,2 %. Наименьший условный чистый доход получен от выращивания сорта Безенчукская 616 (2905 тыс.руб/га), а уровень рентабельности составил 60,4 %.

ВЫВОДЫ

1. в последние 40 лет (1974-2013 гг.) за счет глобального потепления климата наметилась устойчивая тенденция в изменении основных агрометеорологических параметров региона, за счет чего существенно изменилась структура гибели озимой пшеницы при перезимовке. В частности, частота гибели посевов от воздействия низкотемпературного стресса сократилась на 11 %.

2. Установлена тесная корреляционная зависимость между интенсивностью накопления в вегетативных органах озимой пшеницы продуктов углеводного и азотного обмена (редуцированных Сахаров, аминного азота, свободного пролина), изменчивость ферментных систем (пероксидазы и р-фруктофуранозидазы), температурным режимом зимнего периода, зимней выживаемостью растений и морозостойкостью (коэффициенты корреляции - 0,74...- 0,81).

3. С помощью названного комплекса биохимических показателей произведена оценка влияния предшественников и сроков посева озимой пшеницы на формирование ее морозостойкости и зимостойкости.

4. Оценка морозостойкости, произведенная с использованием биохимического тестирования, показала, что в критические по температурным условиям периоды зимовки хороший уровень закалки и высокий процент выживаемости (80 - 88.%) имеют посевы, размещаемые в севообороте по чистому пару, где степень накопления свободного пролина в листьях достигала 6,71. Удовлетворительный уровень морозостойкости (при степени накопления пролина 4,4) имеет пшеница, размещаемая по сидеральному пару и пласту многолетних трав, где процент выживаемости в различные годы

исследования составляет 65 - 79%. Неудовлетворительный уровень морозостойкости (степень накопления пролина 3,8, выживаемость 61 - 74 %) имеют посевы озимой пшеницы, размещаемые по кукурузе.

5. Во влагообеспеченные годы высокий уровень морозостойкости формируется в сентябрьских посевах пшеницы (III декада сентября) при сохранности растений к весне 88,2%, а в засушливые годы - в ранних августовских посевах (III декада августа), где выживаемость составляет 75,4%. Растения октябрьского посева (I декада октября) в силу худших гидротермических условий, сдерживающих рост и развитие в осенний период, обладают слабым уровнем морозостойкости и сохраняют к весне 71% растений.

6. С помощью комплекса биохимических показателей оценена морозостойкость 15 районированных и перспективных для региона сортов озимой пшеницы. В группу сортов с высоким уровнем морозостойкости были отнесены сорта пшеницы Клавдия (Эритроспермум 16/01-7-04), Фотинья, Бирюза, Безенчукская 380, Мироновская 808, в группу со средним уровнем морозостойкости включены сорта Золушка, Смуглянка, Эритроспермум 2/013-04, Оренбургская 105, Кинельская 5. Слабоморозостойкую группу составили сорта Базальт, Люгесценс 2/01-17-04, Безенчукская 616, Эритроспермум 12/0016-04, Санта.

7. Наибольшими эффектами общей адаптивной способности (ОАС) обладают сорта: Бирюза, Фотинья, Безенчукская 380, Оренбургская 105. Исходя из показателя селекционной ценности генотипа (СЦГ) лучшими сортами являются Бирюза (14,1), Мироновская 808 (14,0), Фотинья (13,5) и Клавдия (13,3). Также, высокими показателями СЦГ отличаются сорта Безенчукская 380 (13,2) и Эритроспермум 12/00-16-04 (9,7).

8. Высокой отзывчивостью (bi > 1) обладают сорта Эритроспермум 12/00-16-04 (1,35), Оренбургская 105 (1,20), Кинельская 5 (1,11) и Безенчукская 380 (1,06). Данные сорта требовательны к высокому уровню агротехники, так как в этом случае они дадут наибольшую прибавку урожайности. Средней отзывчивостью (bi = 1) обладает сорт Смуглянка (1,00). Слабее всего реагируют на изменение условий среды (bi<l) сорта Мироновская 808 (0,93) , Клавдия (0,86), Фотинья (0,91), Бирюза (0,71). Эти сорта лучше всего использовать на экстенсивном фоне, где они дадут максимальную прибавку урожая при минимуме затрат.

9. Геометрическая модель морозостойкости озимой пшеницы позволяет выявить взаимосвязь всех параметров, влияющих на выживаемость растений.

10. Новый метод отращивания растений с использованием в качестве субстрата 10%-ный агаровый гель позволяет с более высоким уровнем объективности оценить морозостойкость озимой пшеницы.

11. Наибольший условный чистый доход (6591 тыс.руб/га) получен от выращивания озимой пшеницы Клавдия, уровень рентабельности составляет 137,1 %.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКОЙ СЕЛЕКЦИИ И ПРОИЗВОДСТВА

1. При подборе предшественников для озимой пшеницы в севообороте и сроков посева, обеспечивающих формирование высокой морозостойкости, зимостойкости и урожайности необходимо использовать комплекс биохимических показателей, включающих интенсивность накопления в вегетативных органах продуктов углеводного и азотного обмена, изменчивость ферментных систем пероксидазы и ß - фруктофуранозидазы.

2. Для оценки морозостойкости и зимостойкости районированных и перспективных сортов озимой пшеницы рекомендуется использовать показатель количественной и качественной изменчивости фермента пероксидазы.

3. Выделенные нами сорта Клавдия, Бирюза, Фотинья имеющие высокий уровень морозостойкости, необходимо использовать в селекционном процессе для получения морозостойких форм.

Список опубликованных работ по теме диссертации:

- в журналах, входящих в перечень ВАК Минобрнауки России:

1. Городничев, A.A. Оценка морозостойкости исходного материала для селекции сортов озимой пшеницы / В.Г. Кривобочек, А.И. Иванов, А.П. Стаценко, A.A. Городничев / Нива Поволжья. - 2011. - № 4(21). -С. 20-24.

2. Городничев, A.A. Пролиновый индекс как оценочный показатель морозостойкости озимой пшеницы / В.Г. Кривобочек, А.П. Стаценко, A.A. Городничев / Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова.-2012.-4.-С. 15-16.

3. Городничев, A.A. Использование ферментных систем в оценке морозостойкости озимой пшеницы / В.Г. Кривобочек, А.П. Стаценко, Ю.А. Юрова, A.A. Городничев / Вестник Саратовского госагроуниверситета им. Н.И. Вавилова. -2013. - № 6. - С. 34-36.

- в других изданиях:

1. Городничев, A.A. О роли свободных аминокислот в формировании морозостойкости озимой пшеницы /A.A. Городничев, А.П. Стаценко // Материалы Международной научно-практической конференции «Системы высокоурожайного земледелия и биотехнологии как основа инновационной модернизации АПК в условиях климатических изменений». - Уфа, 2011. - С. 39-41.

2. Городничев, A.A. Пролиновый индекс как оценочный показатель морозостойкости озимой пшеницы / А.П. Стаценко, A.A. Городничев // Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 60-летию Пензенской государственной сельскохозяйственной академии. - Пенза, 2011. - С. 50-53.

3. Городничев, A.A. Ферментативная оценка морозостойкости озимой пшеницы / A.A. Городничев // Материалы XIV Международной научно - практической конференции «Современные проблемы гуманитарных и естественных наук» 26-27 марта 2013г. - Москва, 2013.-Т.1. -С. 150- 152.

4. Городничев, A.A. Использование связанной воды в оценке морозостойкости озимой пшеницы / A.A. Городничев // Материалы XI Международной научно-практической конференции «Современное состояние естественных и технических наук» (14.06.2013). - М.: Издательство «Спутник+», 2013. - С. 63 - 65.

5. Городничев, A.A. Ферментативная диагностика морозостойкости озимой пшеницы / A.A. Городничев, А.П. Стаценко // Сборник научных трудов по материалам Международной заочной научно-практической конференции « Современные проблемы науки и образования» 15 июня 2013 г. - Липецк, 2013. - С. 144 - 146.

Подписано в печать 16.09.2013 г. Усл. печ. л. 1,07. Тираж 100 экз. Заказ № 692.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии ИП Поповой М. Г. Пенза, ул. Московская, 74, к. 211. Тел. 56-25-09.

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Городничев, Андрей Александрович, Пенза

ФГБОУ ВПО «ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

ГОРОДНИЧЕВ АНДРЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ (_/

04201364416

АГРОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА МОРОЗОСТОЙКОСТИ СОРТОВ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ В ЛЕСОСТЕПИ ПОВОЛЖЬЯ

Специальности 06.01.01- общее земледелие, растениеводство

06.01.05 - селекция и семеноводство

сельскохозяйственных растений

Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научные руководители: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Стаценко Александр Петрович

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Кривобочек Виталий Григорьевич

Пенза 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................4

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ МОРОЗОСТОЙКОСТИ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ.................................................8

1.1 Агроэкологические условия формирования морозостойкости озимой пшеницы.......................................................................................8

1.2 Предшественник и морозостойкость озимой пшеницы.......................11

1.3 Морозостойкость озимой пшеницы в зависимости от сроков посева......13

1.4 Сортовая специфичность формирования морозостойкости

озимой пшеницы.......................................................................16

1.5 Оценка экологической пластичности озимой пшеницы.......................19

1.6 Физиолого - биохимическая оценка морозостойкости озимой пшеницы......................................................................................23

2. УСЛОВИЯ, ЗАДАЧИ, ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ........................................................................28

2.1 Почвенно-климатические условия..................................................28

2.2 Погодные условия в годы исследования..........................................29

2.3 Методика полевых и лабораторных исследований.............................36

2.4 Характеристика исследуемых сортов озимой пшеницы.........................38

3 АНАЛИЗ ОСНОВНЫХ ПРИЧИН ЗИМНЕЙ ГИБЕЛИ ОЗИМЫХ В РЕГИОНЕ.....................................................................................42

4. ВЛИЯНИЕ ПРЕДШЕСТВЕННИКОВ НА МОРОЗОСТОЙКОСТЬ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ....................................................................44

5. ФОРМИРОВАНИЕ МОРОЗОСТОЙКОСТИ ПШЕНИЦЫ ПОД ВЛИЯНИЕМ СРОКОВ ПОСЕВА......................................................55

6. ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА МОРОЗОСТОЙКОСТИ

СОРТОВ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ........................................................65

6.1 Использование продуктов азотного обмена в оценке морозостойкости озимой пшеницы............................................................................65

6.2 Применение ферментных систем в диагностике морозостойкости озимой пшеницы............................................................................70

6.2.1 Изменчивость пероксидазы........................................................70

6.2.2 Активность Р - фруктофуранозидазы............................................78

7. АДАПТИВНЫЕ СВОЙСТВА И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ПЛАСТИЧНОСТЬ СОРТОВ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ........................................................83

8. ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ МОРОЗОСТОЙКОСТИ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ..................................................................................91

9. МЕТОД ОТРАЩИВАНИЯ ПРОРОСТКОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ МОРОЗОСТОЙКОСТИ ОЗИМЫХ......................................................97

10. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВОЗДЕЛЫВАНИЯ

СОРТОВ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ......................................................100

ВЫВОДЫ..................................................................................102

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА И ПРАКТИЧЕСКОЙ

СЕЛЕКЦИИ................................................................................105

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ................................106

ПРИЛОЖЕНИЯ...........................................................................129

ВВЕДЕНИЕ

Основой сельскохозяйственного производства в России является зерновое хозяйство. Уровень его развития определяет обеспеченность населения страны хлебобулочной продукцией, животноводства - кормами, а промышленности - сырьем.

Ведущей зерновой культурой Поволжья является озимая пшеница. В последнее время ее посевные площади значительно выросли и составляют более 2 млн. га, а урожайность по региону составляет в разные по погодным условиям годы от 1,0 до 2,8 т/га.

Значительный вклад в производство зерна в Поволжье вносит Пензенская область, где озимая пшеница высевается на площади около 600 тыс.га. Несмотря на то, климат этой зоны является относительно благоприятным для ее культивирования, в отдельные неблагоприятные по условиям перезимовки годы посевы озимых культур массово гибнут в результате вымерзания. Это является одной из основных причин существенного снижения урожайности озимой пшеницы, которая сегодня не превышает 2 т/га. Одной из главных причин низкой морозостойкости, зимостойкости и урожайности являются изъяны в технологии возделывания, в частности, неверный выбор предшественников в севообороте, нарушение сроков посева, что отрицательно сказывается на процессах осеннего роста, развития и закалки растений к низким температурам.

Кроме того, создание и внедрение в производство новых интенсивных сортов озимой пшеницы требует корректировки технологических приемов, что способствует повышению морозостойкости, зимостойкости и урожайности.

Проведенные ранее исследования позволили накопить богатый материал по технологии возделывания озимой пшеницы в лесостепной зоне Поволжья (Огарев В.Ф., Шестаков В.Е., 1972; Преснякова E.H., 2001;

Чирков А.И., 2003; Орлов A.A., 2004; Балеев Д.Н., 2007; Кривобочек В.Г. и др., 2007; Стаценко А.П. и др., 2012, 2013).

В то же время остается малоизученным механизм формирования морозостойкости озимых под влиянием различных элементов агротехнологии (предшественников, сроков посева), а также сортовая специфичность формирования устойчивости растений к воздействию неблагоприятных температурных условий зимнего периода.

Опираясь на это, мы изучали влияние предшественников, сроков посева и сорта на формирование морозостойкости озимой пшеницы, что является актуальным.

Цель и задачи исследований. С помощью биохимических показателей (степени накопления в вегетативных органах продуктов азотного и углеводного обмена и изменчивости ферментных систем пероксидазы и ß-фруктофуранозидазы) оценить влияние предшественников и сроков посева на формирование морозостойкости новых районированных и перспективных сортов озимой пшеницы.

Поставленная цель достигается путем решения следующих задач:

- проанализировать основные причины гибели озимой пшеницы в осенне-зимне-весеннии период;

- изучить и теоретически обосновать влияние предшественника в севообороте на формирование морозостойкости озимой пшеницы;

- исследовать механизм влияния сроков посева на формирование морозостойкости озимой пшеницы;

- разработать геометрическую модель морозостойкости озимой пшеницы;

- изучить перспективы использования продуктов углеводного и азотного обмена, степени изменчивости ферментов пероксидазы и ß-фруктофуранозидазы в диагностике морозостойкости районированных и перспективных сортов озимой пшеницы;

- дать оценку адаптивных свойств и экологической пластичности районированных и перспективных сортов пшеницы.

Научная новизна. Уточнена динамика структуры гибели озимой пшеницы. Выявлена четко выраженная тенденция изменения этой структуры под воздействием глобального потепления климата.

Впервые с помощью комплекса биохимических параметров дана теоретическая и практическая оценка влияния основных предшественников и сроков посева на морозостойкость и зимостойкость озимой пшеницы.

Установлена тесная корреляционная связь между ведущими агрометеорологическими параметрами, степенью накопления в вегетативных органах растений продуктов углеводного и азотного обмена, количественной и качественной изменчивостью ферментов пероксидазы и |3-фруктофуранозидазы, зимней выживаемостью и урожайностью озимой пшеницы.

С помощью комплекса биохимических параметров проведена оценка районированных сортов пшеницы.

Дана оценка адаптивных свойств и экологической пластичности районированных и перспективных сортов озимой пшеницы.

Разработана геометрическая модель морозостойкости озимой пшеницы.

Установленные факты тесной взаимосвязи комплекса биохимических факторов с выживаемостью и урожайностью углубляют наши представления о механизме морозостойкости и зимостойкости озимых растений.

Практическая значимость. На основе комплексной биохимической оценки выявлены предшественники озимой пшеницы и сроки посева, обеспечивающие высокую морозостойкость, зимостойкость и урожайность. В процессе оценки районированных сортов озимой пшеницы выявлены наиболее морозостойкие образцы, которые рекомендуются

использовать в селекционной практике для культивирования в лесостепи Поволжья.

В ходе исследований разработан метод проращивания семян с последующей оценкой морозостойкости проростков, где в качестве субстрата используется 10%-ный агаровый гель.

Основные положения, выносимые на защиту:

- потепление климата и структура гибели озимых;

- влияние предшественников и сроков посева на формирование морозостойкости и зимостойкости озимой пшеницы;

- характеристика районированных и перспективных сортов озимой пшеницы по признаку морозо - зимостойкости и урожайности;

- геометрическая модель морозостойкости озимой пшеницы.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы

были доложены на всероссийских и международных конференциях, проходивших в г. Пенза (2011 г.), г. Уфа (2011 г.), г. Москва (2013 г.), Липецк (2013 г.).

Личный вклад. Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, получены при непосредственном личном участии автора. Соискатель принимал участие в планировании и проведении полевых экспериментов, анализе и обобщении результатов исследований, представленных в диссертации.

Публикации результатов исследований. По материалам диссертации опубликовано восемь научных работ, три из которых в изданиях из перечня, рекомендованного ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, десяти глав, выводов и предложений по производству и селекционной практике. Работа изложена на 139 страницах компьютерного текста, содержит 28 таблиц, 8 рисунков и 2 приложения. Список литературы включает 206 наименований, в том числе 25 авторов из дальнего зарубежья.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ МОРОЗОСТОЙКОСТИ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ 1.1 Агроэкологические условия формирования морозостойкости озимой

пшеницы

Устойчивость озимых растений к неблагоприятным факторам среды в период перезимовки, в частности, к низким температурам, тесно связана с процессами роста и развития (Селиванов A.M. и др., 1986; Митрополенко А.И., 1989; Литвиненко H.A. и др., 1990; Иванов А.И, Стаценко А.П., 2012; Кривобочек В.Г. и др., 2012; Gschweicher G., 1986).

Агрометеорологические условия роста и развития озимой пшеницы в каждую из фаз, особенно осенью, в период закалки растений, определяют ее зимнюю выживаемость (Пруцков Ф.М., 1970).

Вегетация озимых на первом этапе зависит от гидротермического режима почвы, который формируется в осенний период.

Вегетация растений начинается с прорастания семян, которые требуют для всходов оптимальный температурный режим. Наименьшей температурой, которая способствует прорастанию семян, является 1-2°С (Гриценко В.В., 1979). A.B. Руденко (1950) наблюдал процесс прорастания в температурных пределах 0.. .-1 °С, а М.Ф. Куперман. (1969) - при 0.. .-2 °С.

При оптимальной влажности почвы благоприятные условия для прорастания создаются при температуре 15-20 °С (Носатовский А.И.,1965). По наблюдениям Г.А. Лавронова (1979), наибольшая температура, при которой семена теряют способность к прорастанию составляет 30 °С. Исследователь делает вывод, что прорастание семян при повышенной температуре является одной из причин преждевременного выхода первого листа из колеоптиля, что существенно снижает устойчивость озимых к неблагоприятным условиям.

Ключевым фактором, обеспечивающим появление всходов пшеницы, является почвенная влага. По наблюдениям В.М. Личикаки (1958), нижним пределом, при котором наблюдается появление всходов, является запас

продуктивной влаги в 10-сантиметровом слое почвы, равным Змм. В то же время С.А. Вериго (1957) утверждает, что всходы озимых не гарантируются даже при накоплении в пахотном слое 5 мм продуктивной влаги. Ф.М. Пруцков (1970) наблюдал появления всходов при запасе продуктивной влаги в слое почвы 0-10 см в размере 10 мм и более. Об этом же свидетельствуют сообщения Якушкина И.В. (1947) и Кулика М.С. (1964).

Наблюдения A.M. Селиванова (1986) показали, что всхожесть семян озимых гарантируются при влагозапасе пределах 16-19%. Между тем влажность почвы 9-11% не обеспечивает прорастание семян озимой пшеницы. Длительное нахождение семян в почве не благоприятствует качественным всходам, а растения из них обладают, как правило, пониженной зимостойкостью.

Процесс прорастания семян определяется так же соотношением температуры и влажности почвы (Федоров П.Ф., 1954). Следовательно, прорастание семян и появление всходов в значительной степени зависит от комплекса гидротермических условий, создающихся осенью.

Своевременные и дружные всходы, что определяет благоприятные условия для перезимовки растений, можно получить только при оптимальном сочетании температуры и влаги. Как известно, отклонение одного из них в ту или иную сторону осенью часто наблюдается в богарных посевах озимых, что препятствует своевременному появлению всходов. Это в дальнейшем отрицательно влияет на рост, развитие и перезимовку растений.

При благоприятных условиях осеннего периода растения озимой пшеницы успешно развиваются, укореняются, формируют узел кущения, образуют новые побеги, накапливают достаточное количество криозащитных соединений (Сахаров, свободных аминокислот, легкорастворимых белков), тем самым обеспечивают хорошую подготовку к зиме.

Ф.М. Пруцков (1970), Д.Ф Проценко и др. (1971), К.Н. Керефов (1975), М.В. Кирьян (1984) и другие авторы отмечают, что растения озимой пшеницы, раскустившиеся с осени, отличаются более высокой зимостойкостью и продуктивностью. Подобные выводы делают Е.М. Зенкова (1976), В.В. Жигайлов и др. (1981), проводившие опыты в богарных районах. По данным названных авторов, основная часть урожая создается побегами, образовавшимися осенью, тогда как побеги весеннего кущения не всегда образуют продуктивные стебли. Сформировавшийся с осени узел кущения, являющийся органом регенерации, обеспечивает выживаемость растений при перезимовке.

Экспериментально установлено, что фаза кущения у озимых растений протекает только при определенных гидротермических условиях. По данным А.И Носатовского (1965), кущение растений озимой пшеницы возможно при достаточно низкой температуре -2 °С. Ф.М. Куперман (1950) утверждает, что кущение озимой пшеницы прекращается при 1.. .3 °С.

Согласно сведениям, приведенных H.A. Майсуряном и др. (1971), биологический минимум для данной фазы развития озимой пшеницы лежит в пределах от 3 до 4 °С. Оптимальная температура, при которой процесс кущения реализуется наиболее активно, составляет 12-18°С (Шиголев A.A., 1957; Огарев В. и др., 1972).

Как полагает B.C. Мошков и др. (1979), обильное кущение озимой пшеницы может более успешно протекать при повышенной до 30°С температуре. Интенсивность прироста сырой массы растений при этом превышает таковую в условиях пониженной температуры. Авторы пришли к выводу, что кущение и накопление вегетативной массы у озимой пшеницы при высокой температуре протекает более интенсивно. Этому факту придается большое значение, так как постепенное снижение осенних температур является препятствием активного развития растений, вследствие чего они уходят в зиму нормально развитыми и успешно зимуют.

Решающее влияние на скорость кущения озимых оказывает запас продуктивной почвенной влаги. Особенно четко эта зависимость проявляется в условиях неполивного земледелия. Общеизвестно, что следствием недостаточного запаса влаги в почве является угнетение роста растений, медленное формировании боковых побегов, недоразвитие вторичной корневой системы.

Экспериментально установлено, что успешная перезимовка и высокая урожайность пшеницы гарантируется, если в ходе осеннего кущения на каждом растении сформировалось от трех до пяти побегов. Этот процесс успешно протекает при сумме эффективных температур 200°С и накоплении в почве более 20 мм продуктивной влаги (Кулик М.С., 1964).

1.2 Предшественник и морозостойкость озимой пшеницы

Для предупреждения гибели озимых, технологию возделывания озимой пшеницы необходимо совершенствовать. Сначала необходимо определить состав предшественников. По сравнению с другими культурами озимая пшеница наиболее требовательна к предшественникам. При бессменном выращивании её урожайность значительно понижается. Для получения наиболее устойчивых и высоких урожаев зерна озимой пшеницы важную роль играет оптимальное размещение ее в севообороте.

Зимостойкость озимых культур зависит от сроков уборки предшественников. Так, в степной зоне озимая пшеница, посеянная после сорго, собранного на зеленый корм и была изрежена только на 6%. В тот же срок и на том же поле пшеница была посеяна после сорго, вы�