Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экологические особенности реакции растений рапса Brassica napus L. на фотопериодические и температурные условия

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Экологические особенности реакции растений рапса Brassica napus L. на фотопериодические и температурные условия"

На правах рукописи

РАДЖАБИАН Маджид

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РЕАКЦИИ РАСТЕНИЙ РАПСА Brassica napus L. НА ФОТОПЕРИОДИЧЕСКИЕ И ТЕМПЕРАТУРНЫЕ УСЛОВИЯ

Специальность 03.00.12 - физиология и биохимия растений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

0Q3459372

Москва 2009

003459372

Работа выполнена на кафедре физиологии растений Российского государственного аграрного университета - МСХА имени К. А. Тимирязева.

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор

Тараканов Иван Германович

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, главный научный сотрудник кандидат биологических наук, старший научный сотрудник

Осипова Людмила Владимировна

Скоробогатова Ирина Витальевна

Ведущая организация: ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт кормов им. В.Р. Вильямса» Россельхозакадемии

. 30

Защита диссертации состоится «у? » января 2009 г. в «_/£» часов на заседании Диссертационного совета Д 220.043.08 при РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева.

Адрес: 127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, 49, Ученый совет РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. Телефон/Факс: (495)9762492.

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева.

Автореферат разослан «/4"» декабря 2008 г.

и размещен в сети Интернет на сайте Университета www.timacad.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета (Белопухов С.Л.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Рапс, Brassica napus L., является одной из ценных кормовых и масличных сельскохозяйственных культур, получивших большое распространение в Канаде, Китае, Индии, европейских странах и других регионах мира (Kazan et al., 1999). Так, в Иране в 2004 году объем производства рапса на посевной площади 72000 га составил 108000 т (РАО Production Yearbook); площади под культурой рапса ежегодно увеличиваются - планируется, что уже в ближайшие годы площадь посевов рапса вырастет до 800-900 тыс. га. В связи с поиском возобновляемых источников энергии все большее значение также приобретает использование рапсового масла в качестве биологического топлива. Все это свидетельствует о важном экономическом значении данной культуры и необходимости увеличения ее производства за счет совершенствования агротехники и создания новых высокопродуктивных сортов. Изучение физиологической регуляции роста и развития растений рапса актуально как с точки зрения выявления механизмов экологического контроля прохождения онтогенеза, так и с практической в связи с задачами селекции и интродукции (Canola Report, 1989; Cañóla production and Management, 1992).

Особенности прохождения онтогенеза и организация продукционного процесса у сортов рапса, относящихся к разным экотипам, в значительной мере определяются световыми и температурными условиями. В растении функционирует сложная регуляторная сеть, включающая ряд путей перехода к цветению; эквифинальность развития обусловлена участием в этой сети генов-интеграторов (Simpson, Dean, 2002). Фотопериодическая и температурная (яровизация) регуляция роста и развития играют важную роль в приспособлении растений к сезонным изменениям климата, обеспечивая реализацию их репродуктивных стратегий. В отличие от фотопериодической индукции яровизация непосредственно не приводит к эвокации цветения, но подготавливает растение к нему, снимая репрессию флорального морфогенеза (Sung, Amasino, 2005). Доминирование определенных путей регуляции перехода к цветению у конкретных генотипов связано с особенностями эколого-географических условий их произрастания.

Разные по происхождению экотипы рапса характеризуются высокой пластичностью, основанной на сочетании механизмов автономного и индуцированного контроля развития, что делает их ценными объектами исследований в экологической физиологии растений.

Цель и задачи исследований Цель работы - изучить особенности морфогенеза растений рапса Brassica napus L. (10 генотипов разного географического происхождения, представленных яровыми и озимыми формами) в зависимости от фотопериодических и температурных условий (в связи с прохождением яровизации).

В соответствии с этой целью были поставлены следующие задачи:

- Изучить особенности фотопериодического и температурного контроля развитая растений рапса у сортообразцов российской и иранской селекции, выращиваемых в разных эколого-географических зонах.

-Изучить характер участия гиббереллинов в трансдукции сигналов, регулирующих прохождение растениями этапов онтогенеза путем постановки гипокотильных биотестов.

- Изучить характер связи уровня морозостойкости растений с прохождением ими акклимации в период яровизации.

- Изучить изменчивость генотипов рапса, в том числе внутри популяций, по уровню фотопериодической чувствительности и потребности в яровизации, путем проведения ступенчатых посевов в естественных условиях на широте Москвы и на анализирующем фоне в контролируемых условиях фитотрона,

- Осуществить отбор в сортовых популяциях генотипов с нужным уровнем фотопериодической чувствительности и яровизационного контроля для создания исходного селекционного материала.

Научная новизна и практическая значимость.

В результате реализации программы намеченных исследований на контрастных генотипах рапса получены новые данные по роли света и яровизационного воздействия в механизмах регуляции роста и развития растений в разных эколого-географических условиях. Выявлен неоднородный состав изучаемых сортовых популяций ярового и озимого рапса. Впервые установлено, что популяции сортообразцов рапса иранского происхождения в значительной степени представлены растениями-двуручками, характеризующимися повышенной морозостойкостью. Показана связь прохождения растениями яровизации и акклимации при действии на них низких положительных температур. В гипокотильных тестах на непрошедших яровизацию проростках впервые показана более низкая чувствительность к гиббереллинам растений озимых генотипов. Получен исходный материал ярового и озимого рапса для использования в селекционной работе.

Наряду с теоретическим материалы имеют и важное практическое значение для интродукционной работы, при разработке технологического паспорта сорта и для оптимизации продукционного процесса в связи с реализацией генетического потенциала культуры при ее районировании и определении сроков выращивания.

Анробацня работы. Материалы диссертации доложены на Международной конференции «Современная физиология растений: от молекул до экосистем» (VI съезд ОФР России, Сыктывкар, 2007), на 1-й и 2-й Конференциях иранских исследователей в Европе (Москва, 2007, 2008), на семинаре кафедры и лаборатории физиологии растений РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (2008).

По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы.

Материалы диссертации используются в учебном процессе на кафедре физиологии растений в лекционном курсе и при проведении лабораторного практикума.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, трех глав (обзор литературы; объекты, материалы и методы исследования; результаты и обсуждение), заключения, выводов, библиографического списка и приложений, Работа изложена на /^страницах машинописного текста, содержит таблиц и ЯУТрисунков. Список литературы содержит наименований.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Изучали реакцию растений рапса Brassica napus L. на фотопериодические и температурные условия путем проведения ступенчатых посевов на Полевой опытной и селекционной станциях РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева. В работе использовали ряд сортообразцов российской, канадской и иранской селекции, выращиваемых в разных эколого-географических зонах. Яровые формы: Луговской и Викрос (Россия), Квантум (Канада), озимые: Северянин, а также образцы #2, #4, #6, #2-0326 селекции ВНИИ кормов им. В.Р.Вильямса (Россия). Реакцию иранских сортообразцов Опшен 500 и Саригол предстояло уточнить. В мелкоделяночном опыте проводили посевы с интервалом в 2-4 недели, после появления всходов проводили их прореживание, площадь питания одного растения 225 см2.

После предварительной дифференциации сортов в полевом опыте изучали их фотопериодическую реакцию в контролируемых условиях фитотрона лаборатории физиологии растений РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева. Растения выращивали в почвенной культуре в сосудах объемом 1 л. В качестве

субстрата использовали заправленный удобрениями универсальный грунт «ЭКЗО» (Селигер-Arpo) в смеси с речным песком (3:1), влажность субстрата поддерживалась на уровне 80% ПВ. Температура воздуха 22-23°С днем и 18-19°С ночью. Источник облучения - лампы ДРИ-2000-6, плотность потока фотонов 215 мкмоль/м2'с, продолжительность светового дня 14, 16,18 или 24 ч.

Чувствительность растений рапса к гиббереллинам изучали в модифицированном гипокотильном биотесте. Семена проращивали в чашках Петри в темноте при 26°С. Через двое суток проростки помещали в стеклянные стаканчики с налитыми на дне водными растворами гибберелловой кислоты (ГА3, Acros Organics, США) в концентрациях Ю"10 - 10° м и контрольный вариант на воду. Стаканчики с проростками размещали во влажной камере при непрерывном освещении (люминесцентные лампы ЛБ-80, плотность потока фотонов 40-50 мкмоль/м2'с). В каждом варианте было 10 растений. Всего было проведено пять серий экспериментов, в работе приводятся данные по одной из них (результаты остальных серий отличались хорошей воспроизводимостью).

В экспериментах по изучению действия пониженных температур растения выращивали в течение 20 дней в климатической камере KTLK-1250 (Германия) при 22-23°С и фотопериоде 16 ч, затем часть растений переносили в камеру с температурой 10-12°С (в других опытах растения выдерживали при 5°С). Экспозиция выращивания растений при различных температурах была 2, 4, 6 и 8 недель. По окончании периода предварительного выращивания при нормальной и низкой положительной температуре часть растений подвергали воздействию отрицательной температуры -5°С в течение суток (в других сериях - 1, 3, 5, 7 суток). После промораживания растения возвращали в условия с температурным режимом 22-23°С. Сразу после восстановления исходной температуры в камере осуществляли косвенную оценку степени повреждения биофизическим методом по выходу в дистиллированную воду электролитов из высечек листа. Определяли выход электролитов из высечек листовых пластинок интактных растений, подвергавшихся действию низких температур, и из высечек, инкубируемых в стеклянных бюксах на увлажненной фильтровальной бумаге при тех ■ же стрессовых условиях. Повреждения низкими температурами оценивали также визуально через 4-5 ч после холодового стресса по десятибалльной шкале. О степени повреждения судили по потере тургесцентности псаней растений. Полная необратимая потеря тургора растениями оценивалась в 10 баллов и минимальная -в 1 балл. Контрольные и опытные растения фотографировали.

Электропроводность измеряли кондуктометром (КоЫикШте^ №5 721м, Польша). Определяли электропроводность дистиллированной воды (10 мл) после десорбции в нее электролитов из высечек листа в течение 60 мин. Высечки делали сверлом диаметром 5 мм из средней части листа рапса. В части опытов измеряли десорбцию электролитов из высечек, подвергаемых и неподвсргаемых холодовому стрессу (-5°С). Определяли коэффициент степени повреждения как отношение величины электропроводности дистиллированной воды, в которой выдерживали высечки 60 минут после низкотемпературного стресса, к электропроводности раствора после кипячения тех же высечек, то есть определяли долю первоначально выделившихся электролитов после действия стрессора ко общему содержанию их после кипячения, Чем больше происходила десорбция электролитов из высечек до кипячения, тем значительнее было их повреждение и, соответственно, коэффициент степени повреждения. Метод позволяет объективно оценивать состояние клеточных мембран, проницаемость которых нарушается при действии стрессовых факторов.

Учеты и наблюдения

Наблюдения проводились в соответствии с методическими рекомендациями (Игнатьева, 1964; Третьяков и др., 2003). Пробы отбирались с периодичностью в 14 дней. В экспериментах в динамике определялась интенсивность ростовых процессов по накоплению сухой биомассы (по органам), изменению площади листового аппарата. Проводились фенологические наблюдения. Учитывалась семенная продуктивность растений.

Для характеристики скорости развития растений в условиях разных режимов выращивания определяли число дней от всходов до бутонизации и цветения, а также число листьев па главном побеге до соцветия.

Математическая обработка включала дисперсионный анализ и анализ вариационных рядов. В таблицах и на графиках приведены средние арифметические и стандартные ошибки.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Изучение реакции генотипов рапса разного географического происхождения на фотопериодические и температурные условия при проведении ступенчатых посевов.

Фотопериодические условия, зависящие от географической широты и сезона

года, в значительной степени определяют продуктивность растений, особенно у генотипов, обладающих высокой чувствительностью к ним. Несоответствие длины дня на определенной географической широте типу фотопериодической реакции сорта затрудняет его интродукцию и может служить причиной ограничения площадей выращивания (Ничипорович, 1975).

Выращивание растений рапса при разных сроках посева позволило выявить ряд интересных особенностей (табл 1). Во-первых, в популяциях яровых сортов Луговской и Викрос обнаружились генотипы, нормально переносящие зимовку после осеннего посева и развивающиеся как озимые формы, что свидетельствует о неоднородности изучаемых популяций. Еще более пластичными в отношении ритмики развития оказались иранские генотипы. Растения сортообразца Опшен 500 развивались как двуручки, то есть, переходили к цветению не только при весеннем и летнем посеве, но и при позднелетнем посеве, после зимнего периода яровизации. Похожая реакция наблюдалась и у сорта Саригол, хотя процент перезимовавших растений августовского срока посева был существенно ниже. Необходимо отметить, что накопившие меньшую биомассу растения сентябрьского посева у этих двух сортообразцов зимой полностью погибли. С растений, развивающихся как озимые, в условиях изоляции были собраны семена для использования в последующих экспериментах. Аналогичным образом были отобраны единичные биотипы в популяции озимого сорта Северянин, способные переходить к цветению в отсутствие яровизации.

При ряде сроков посева в популяциях яровых сортов и двуручек ярко проявилась генетическая изменчивость по уровню фотопериодической чувствительности составляющих их генотипов, о чем свидетельствовали растянутые сроки перехода к цветению отдельных растений. Анализирующее действие фоновых условий в этих вариантах было обусловлено естественными изменениями длины дня и ее приближением к критическим значениям для отдельных биотипов. Особенно эффективно разлагающее действие условий выращивания растений проявилось при посеве 24 мая и чуть меньше - 15 июня. Разница в сроках начала цветения отдельных растений в выборке при этом достигала 50 дней (данные не приводятся). В первом случае это было связано со сверхранней фотопериодической индукцией у части генотипов на фоне максимальной длины дня, во втором - с задержкой развития в условиях убывающей длины дня.

Необходимо отметить высокий уровень зимостойкости селекционных образцов #4 и #6. При всех трех сроках посева, включая самый поздний,

количество выживших растений было соответственно не менее 60% и 40% (данные не приводятся).

В вариантах со ступенчатыми посевами в весенне-летний период 2006 года наблюдалось снижение скорости развития растений при посеве в более поздние сроки, если оценивать ее по времени перехода к цветению. Вместе с тем, другой часто используемый показатель скорости развития - число листьев на главном побеге до соцветия - уменьшался от ранних сроков посева к более поздним. Это свидетельствует о существенном увеличении пластохрона при летних сроках посева.

Таблица 1

Характер развития растений разных сортов рапса в зависимости от сроков посева на широте Москвы, полевые опыты 2005 и 2006 гг. __

Сорт Дата посева Число дней от всходов до Число листьев до соцветия Число учетных растений *

бутонизации цветения

Луговской 14.07.2005 61,0±7,0 71,0±8,2 27,0 ± 3,3 10/10

16.08.2005 267 278 10 1/10

16.09.2005 Все растения погибли при перезимовке

05.05.2006 28,5±0,3 35,3±0,3 20,0±0,6 25/25

24.05.2006 32,8±0,5 40,81:0,5 29,0±0,4 25/25

15.06.2006 50,0±1,4 57,0±1,4 18,0±0,6 25/25

19.07.2006 56,5±0,5 67,8±1,0 12,0±0,3 25/25

Викрос 14.07.2005 61,0±7,0 72,0±8,2 29,0±3,2 10/10

16.08.2005 260,0±46,7 271,0±47,6 5,0 ±1,0 3/10

16.09.2005 Dee растения погибли при перезимовке

05.05.2006 27,8±0,3 34,0±0,3 22,0±0,5 25/25

24.05.2006 31,5±0,5 38,5±0,5 25,0±0,4 25/25

15.06.2006 38,3±0,8 46,3±1,0 18,0±0,4 25/25

19.07.2006 54,5±1,1 66,5±1,3 15,0±0,3 25/25

Квантум 14.07.2005 61,0±7,0 71,0±8,2 25,0±2,7 10/10

16.08.2005 Все растения погибли при перезимовке

16.09.2005 Все растения погибли при перезимовке

05.05.2006 27,0±0,4 34,0±0,4 23,0±0,5 25/25

24.05.2006 45,8±1,2 54,8±1,7 23,0i0,4 25/25

15.06.2006 35,8±1,0 42,8±1,3 20,0±0,9 25/25

19.07.2006 54,0±1,5 65,8±1,8 17,0±0,4 25/25

Опшен 500 14.07.2005 61,0±7,0 70,0±8,1 25,0±2,9 10/10

16.08.2005 271,0±38,7 282,0±39,6 12,0±2,0 10/10

16.09.2005 Все растения погибли при перезимовке

05.05.2006 27,5±0,3 34,5±0,3 21,0±0,5 25/25

24.05.2006 45,5±1,6 54,5±2,0 26,0±0,3 25/25

15.06.2006 37,3±1,2 45,5±1,5 22,0±0,3 25/25

19.07.2006 53,5±1,3 65,0±1,8 1б,0±0,3 25/25

Саригол 14.07.2005 63,0±7,2 73,0±8,3 25,0±2,5 10/10

16.08.2005 266,0±47,4 277,0±49,4 10,0±1,5 3/10

16.09.2005 Все растения погибли при перезимовке

05.05.2006 29,0±0,2 36.0±0,2 23,0±0,3 25/25

24.05.2006 53,0±0,8 61,0*0,8 24,0±0,2 25/25

15.06.2006 40,8±1,8 48,8±2,0 21,0±0,6 25/25

19.07.2006 54,3±1,9 65,8±2,0 16,0±0,4 25/25

Северянин ** 14.07.2005 283,0±43,5 294,0±45,2 27,0±2,4 4/10

16.08.2005 259,0±36,2 270,0±39,2 9,0±1,6 3/10

16.09.2005 Все растения погибли при перезимовке

Примечания : * ) в знаменателе - число растений в начале опыта, в числителе -число перезимовавших растений, ** )растения весеннего и летнего сроков посева в 2006 г. не перешли к цветению до конца опыта (начало октября).

Сорта из умеренных широт имели большую критическую длину дня. Вместе с тем, у них наряду с сортом Опшен 500, отмечена меньшая продолжительность ювенильного периода, чем у сортов Квантум и Саригол.

Растения с наименее продолжительной ювенильной фазой характеризуются наиболее высоким уровнем скороспелости. Задержка появления компетенции к фотопериодическим сигналам у форм с длинной ювенильной фазой отражается на общей продолжительности онтогенетического цикла. Растения таких генотипов созревают гораздо позднее; в условиях благоприятной длины дня это приводит к существенным габитуальным различиям по сравнению со скороспелыми формами и реализуется в повышенной продуктивности.

Наиболее высокая урожайность биомассы при всех трех весенних сроках посева была отмечена у сортов Викрос и Саригол. Сравнительно поздний переход к цветению растений Опшен 500 и Саригол обусловил их более высокую семенную продуктивность по сравнению с другими сортами.

Специфический характер реакции сортов иранской селекции на фотопериодические и температурные режимы, очевидно, связан с особыми условиями выращивания в их естественном ареале (рис. 1). Так, в регионе Ахваз культура выращивается в два срока: с февраля по май и с сентября по февраль. Именно универсальные экологически пластичные сорта-двуручки, полученные на основе местных популяций, в наибольшей степени подходят для культивирования в этих условиях.

Ардебиль,48 с.ш.

Машхад,38 с.ш.

Тегран,40 с.ш.

35, " 30

(о

а 25

? 20

а 15

Ахваз, 31 с.ш.

VIII VII

ш с 5

г

Осадки

Рис 1. Климатограммы (температура, осадки) разных районов возделывания рапса, жирным выделены основные сезоны культуры.

Изучение фотопериодической реакции растений рапса в контролируемых условиях фитотрона.

Эксперимент в факторостатных условиях фитотрона позволил оценить различия в фотопериодической реакции генотипов в «чистом виде» (рис. 2). Видно, что выращивание растений на субкритическом фотопериоде 14 ч позволяет достаточно четко дифференцировать сортообразцы (об эффективном «разлагающем» действии данного фона свидетельствует высокий коэффициент вариации). Наибольшая задержка развития в этих условиях была отмечена у сорта Квантум, наименьшая - у Саригол. Остальные сорта по уровню

Замедленное развитие растений в условиях относительно небольшой длины дня 16 ч способствовало формированию у них большего фотосинтетического потенциала и, соответственно, повышению продуктивности (рис. 3). , На субкритическом фотопериоде 14 ч урожайность снижалась.

НСР 05=0.44 И14

НСР 05=0.07 ■ 16

НСР 05=0.08 □ 15

НСР 05=0.09 □ 24

Саригол

Рис 3. Продуктивность растений рапса при выращивании в условиях разной длины дня (опыт в фитотроне).

Изучение фотопериодической реакции биотипов, выделенных из сортовых популяций яровых и озимых форм рапса.

Выращивание в условиях анализирующего фона при длине дня 14 ч растений исходных популяций и отобранных из них вышеупомянутых перезимовавших биотипов показало, что у ряда растений-двуручек развитие в этих условиях протекает быстрее, чем в среднем по популяции (табл. 2). Отсутствие потребности в яровизирующем воздействия у них сопровождалось и меньшей зависимостью от фотопериодических условий. В то же время у ряда генотипов развитие на фотопериоде 14 ч было замедлено; на более благоприятном фотопериоде 16 ч эти генотипы развивались значительно быстрее. Интересно отметить, что в популяции озимого сорта Северянин в опыте со ступенчатыми посевами были обнаружены единичные растения с отсутствием облигатной потребности в яровизации; в фитотроне в условиях фотопериода 14 ч скорость развития растений этого биотипа была сопоставима с растениями сорта Квантум.

Таблица 2

Скорость развития растений рапса (исходные популяции и отборы из них) в

Число листьев

Фотопериод. Число дней от всходов до на главном побеге до соцветия

бутонизации цветения

Луговской

14 107,1±10,5 128,0±9,3 23,0±1,4

16 48,8±2,0 61,9±3,1 20,6±0,8

Викрос

14 105,5t 12,0 121,8±12,1 22,9±0,8

Квантум

14 )80,8±1,8 193,0±1,6 21,0±0,4

16 46,9±4,4 57,3±4,1 19,0±0,б

Опшен 500

14 93,1±14,6 111,3±15,0 21,б±0,7

16 44,8±2,4 54,6±3,1 16,6±0,6

Отбор 2-4/1 из Опшен 500

14 70,5±1,4 84,5±2,1 21,0±0,9

16 49,5±1,7 59,0±2,0 21,5±0,7

Отбор 2-4/2 из Опшен 500

14 75,4±1,6 85,1±1,2 19,8±0,4

16 48,8±1,б 58,5±2,0 21,3±0,5

Отбор 2-4/3 из Опшен 500

14 128,3±16,7 141,1±16,8 24,0±1,0

16 57,0±3,2 69,3±5,1 20,8±1,1

Отбор 2-4/4 из Опшен 500

14 80,3±0,8 93,0±2,5 19,3±0,9

16 48,8±0,8 57,8±1,б 20,8±0,8

Саригол

14 77,4±10,0 99,9±13,7 19,3±0,9

16 54,0±1,5 63,0±0,8 20,0±0,9

Отбор 2-5 из Саригол

14 84,9±2,9 105,9±5,8 20,3±0,5

¡6 49,5±1,2 | 60,3±1,0 16,8±0,б

Отбор 1/6-4 из Северянин

14 195,3±2,2 I 210,8±2,1 | 16,0±0,3

* одно растение из 8 в выборке ** Два растения из 8 в выборке

Реакция проростков рапса на гиббереллинАзв гипокотильном биотесте.

Хорошо известна роль гиббереллинов в регуляции роста побега и перехода растений к цветению после фотопериодической индукции. Показано, что они играют роль регуляторных интермедиатов при прохождении растениями рапса яровизации и последующем росте побега (Zanewich, Rood, 1995). У другого представителя Brassicaceae, Thlaspi arvense, первичный эффект термоиндукции связан скорее не с возрастанием содержания гиббереллинов, а в повышении чувствительности к ним тканей,-мишеней (Metzger, 1985).

При анализе реакции растяжения гипокотилей проростков рапса под действием ГА3 обнаружились существенные различия в чувствительности отдельных генотипов (рис. 4). Прежде всего следует отметить более низкую

чувствительность гипокотилей озимого сорта Северянин - достоверное увеличение длины гипокотиля в опытных вариантах по сравнению с контролем (вода) наблюдалось при концентрации ГА3 на два порядка большей, чем у других генотипов (яровых и двуручек). Самая высокая чувствительность к ГА3 среди изучаемых генотипов наблюдалась у проростков Опшен 500. В диапазоне высоких концентраций наибольший эффект наблюдался у растений сортообразца Квантум - стимуляция 324% по сравнению с контролем. Необходимо заметить, что растения последнего сорта характеризовались также наиболее высокой урожайностью биомассы в опыте со ступенчатыми посевами (данные не приводятся).

HCPaF 0.32

Г НСРм= 0.30 HCFV 0.28 НСРэ,= 0 31

Луэовской Викрос Квантуй Опшен 500 Сзригол Северянин

Рис 4. Реакция растений рапса на инкубирование на водных растворах гиббереллина А3 (10" 10 - 10"5М, контроль -вода) в

гипокотильном биотесте.

□ 10-5 М ■ 10-6 М □ 10-7 М □ 10-8 И ■ 10-9 М а 10-10 М ■ Н20

Интересно отметить, что изучаемые генотипы отличались и разной скоростью растяжения гипокотилей в контроле. Длина гипокотилей у сортообразцов Опшен 500, Саригол и Северянин была достоверно меньше, чем у проростков яровых форм Луговской, Викрос и Квантум. Данная особенность озимых генотипов может быть обусловлена как пониженной активностью эндогенных гиббсрсллинов, так и сниженной чувствительностью к ним тканей гипокотиля. Слабая реакция гипокотилей озимых генотипов на ГА3 может быть обусловлена пониженной их чувствительностью в отсутствие низкотемпературной термоиндукции. Поскольку в этом случае речь идет о ювенильных растениях, подтверждается тезис о растянутом во времени яровизационном контроле физиологической активности делящихся клеток еще до обретения апикальной меристемой растения компетенции к индуктивным воздействиям (Wellensiek, 1964; Gendall et al., 2001). В то же время необходимо иметь в виду, что регуляция растяжения стебля и перехода к цветению может осуществляться разными гиббереллинами, как это показано на растениях ярового рапса (Dahanayake, Galwey, 1999).

Реакция растений рапса на выращивание в условиях низких положительных температур.

При выращивании озимых сортов рапса важное значение имеет уровень их зимостойкости, который, как показали в том числе и наши опыты со ступенчатыми посевами, может сильно варьироваться. Переход растений из вегетирующего в закаленное морозостойкое состояние является комплексным процессом, включающим низкотемпературную адаптацию (закаливание), переход в состояние покоя в условиях уменьшающейся длины дня и др.(Туманов, 1979; Титов и др., 2006; Трунова, 2007). Ряд авторов связывает возрастание устойчивости растений к низким отрицательным температурам с прохождением ими яровизации (Fowler et al., 1996; Galiba et al., 1995). Есть экспериментальные данные о возможности нарушения сцепления между морозостойкостью и яровизацией у озимых генотипов рапса (Hawkins et al., 1998). По-видимому, здесь мы сталкиваемся не только с сигнальным эффектом прохождения яровизации (запуск внутреннего таймера - эпигенетический сайленсинг FLC, Shindo et al., 2006), но и с собственно закаливающим действием пониженных температур (акклимацией растений). Это подтверждает представление о том, что процесс адаптации состоит из двух функционально различных этапов - стресс-реакции и специализированной адаптации (Кузнецов, 2001). Для изучения данного явления мы провели опыт по выращиванию растений при нормальной и понижешюй температуре 10-12°С (верхнее пороговое значение для достижения яровизирующего эффекта).

При пониженной температуре у растений были более низкие темпы роста и накопления биомассы. Также наблюдалась некоторая задержка в развитии, возраставшая в зависимости от продолжительности экспозиции на холоде (табл. 3). Однако семенная продуктивность растений при более продолжительных экспозициях не только не уменьшалась, но даже возрастала по сравнению с контролем (рис. 5). Интересно отметить, что число листьев до соцветия по вариантам было одинаковым, однако при экспозиции 8 недель на холоде у растений была выше доля розеточных листьев.

Пороговое значение использованной в данном опыте температуры в отношении яровизирующего эффекта хорошо видно на примере озимого сорта Северянин (табл. 3). Интересно отметить, что у подвергшихся низкотемпературному воздействию в течение 8 недель растений продуктивность была более чем вдвое выше, чем у растений с меньших экспозиций.

Таблица 3

Скорость развития растений рапса в зависимости от продолжительности выращивания при низкой температуре. Фитотрон, фотопериод 16 ч.

Экспозиция при 110-12°С Число дней от всходов до бутонизации „ „ Число листьев на Число дней от . главном побеге до всходов до цветения соцветия

Луговской

0 нед 48,8±2,0 61,9±3,1 20,б±0,8

2 нед 58,6±1,9 67,9±2,4 20,0±0,8

4 нед 70,0±0,9 77,9±1,7 23,4±0,8

6 нед 80,5±3,9 90,3±4,0 22,4±0,7

8 нед 86,0±2,1 95,6±2,9 21,8±0,5

Квантум

0 нед 46,9±4,4 57,3±4,1 19,0±0,б

2 нед 49,4± 1,4 59,5±1,7 18,9-Ы.б

4 нед 70,9±3,5 79,5±3,8 21.5±1,4

б нед 74,6±0,9 81,8±1,1 19,9±0,9

8 нед 86,4±1,0 96,9±2,2 19,1±0.9

Опшен 500

0 нед 44,8±2,4 54,б±3,1 16,6*0,6

2 нед 51,9±1,9 62,8±1,6 22,4±0,9

4 нед 63,3±0,9 71,5±1,4 20,6±0,5

6 нед 72,0±1,8 82,8±1,8 19,8±0,8

8 нед 89,9±3,0 104,5±3,5 23,9А0,5

Саригол

0 нед 54,0±1,5 63:,0±0,8 20,0±0.9

2 нед 57,0±4,5 65,8±4,7 19,4±0,8

4 нед 69,4±3,6 77,5±3,2 22,6±1,0

6 нед 81,1±3,1 89,6±3,4 23,9±1,1

8 нед 87,4±2,6 95,4±2,9 21,6±1,0

Северянин

0 нед нет нет -

2 нед 63,0±1,2 (50%)* 69,3±1,4 21,8±0,8

4 кед 110,3±2,1(25%) 114,6*2,4 19,4±0,7

6 нед 163,0±3,2 (25%) 180,0±3,7 19,0±0,7

8 нед 84,0±1,0 (25%) 102,5±13,5 20,0±3,0

*- в выборке указан процент растений, перешедших к генеративному развитию.

НСР05=0.20 НСР05=0.18 НСР05=О.2 НСР05=0.32 НСР05=0.58

экспозиция при т 10-12°с, мед

Рис. 5.

Продуктивность растениий рапса в зависимости от

продолжительности холодового воздействия. Фитотрон, 16ч.

Реакция растений рапса на действие отрицательных температур в зависимости от условий предварительного выращивания.

Изучали влияние условий выращивания растений пяти сортов рапса на устойчивость растений к отрицательным температурам.

Действие отрицательных температур в разных диапазонах так или иначе в первую очередь связано с повреждением клеточных мембран ^еропкш, 1993; ТЬота5Ьо\у, 1999). Именно по этой причине учет выхода электролитов из поврежденных тканей является одним из надежных способов диагностики степени повреждения при действии стрессора. Коэффициент степени повреждения высечек листа после их промораживания отдельно от растения (-5°С в течение суток) во всех вариантах был меньше, чем у высечек из листьев промораживаемых интактных растений (таблица 4), что, по-видимому, обусловлено менее выраженным в их тканях водным дефицитом по сравнению с продолжающими транспирировать интактными растениями. В связи с этим в данном эксперименте и последующих опытах анализировалась степень повреждения интактных листьев.

В таблицах 4 и 5 представлены значения визуальных и косвенных показателей степени повреждения тканей листа 5-ти сортов рапса при действии низкой температуры (-5°С)' в течение 24 часов. При двухнедельной предварительной экспозиции в условиях пониженной температуры 10-12°С растения из этого варианта пострадали сильнее, чем контрольные, постоянно

находившиеся в оптимальных температурных условиях (таблица 4). Результаты косвенной и визуальной оценки степени повреждения растений совпадают. Выявлены сортовые особенности реакции растений рапса на действие отрицательной температуры. Наибольшее повреждение наблюдалось у озимого сорта Северянин и сорта-двуручки иранской селекции Саригол.

Таблица 4

Степень повреждения тканей листьв растений рапса после промораживания при I

= -5°С в течение 1 суток в зависимости от условий предварительного выращивания (в тепле или на холоде, экспозиция 2 недели)._

Сорт Режим выращивания Коэффициент степени повреждения Визуальная оценка степени повреждения (баллы)

Интактные растения Выссчки

до промораживания после промораживания

Луговской 22-23"С 0,20±0,01 0,46Ю,05 0,29±0,02 4

10-12°С 0,21±0,02 0,54±0,10 0,35±0,06 6

Квантум 22-23°С 0,17±0,02 0,45±0,10 0,28±0,05 3

10-12°С 0,16±0,02 0,63±0,08 0,37±0,03 6

Опшен 500 22-23°С 0,19±0,02 0,47±0,08 0,20±0,04 4

10-12°С 0,14±0,003 0,38Ю,08 0,24±0,05 3

Саригол 22-23°С 0,28±0,04 0,35±0,03 0,29±0,03 4

10-12°С 0,21 ±0,02 0,61 ±0,02 0,39±0,02 7

Северянин 22-23°С 0,08±0,01 0,68±0,08 0,20±0,02 6

10-12°С 0,09±0,03 0,67±0,04 0,22±0,02 7

НСР05 0,06 0,15 0,10

У сортов Опшен 500 и Северянин коэффициенты степени повреждения у растений, растущих в разных температурных условиях, достоверно не различались.

Увеличение периода выращивания растений рапса при пониженной температуре до 4-х недель сказалось на изменении характера ответной реакции на стресс (таблица 5). У всех растений, предварительно выращиваемых при пониженной температуре, при визуальной оценке было отмечено меньшее повреждение после промораживания, чем у выращиваемых при нормальной температуре контрольных растений. Косвенные показатели степени повреждения достоверно различались у растений яровых сортов Луговской и Квантум. Наиболее высокий уровень устойчивости выявлен у сорта Опшен 500.

Таблица 5

Степень повреждения тканей листьев растений рапса после промораживания при I -5°С в течение 1 суток в зависимости от условий предварительного выращивания (в тепле или на холоде, экспозиция 4 недели).___

Сорт Режим выращивания Коэффициент степени повреждения Визуальная оценка степени повреждения (баллы)

до промораживания после промораживания

Луговской 22-23°С 0,11±0,02 0,72±0,04 6

10-12°С 0,09±0,01 0,46±0,08 4

Квантум 22-23°С 0,14±0,02 0,60±0,04 7

10-12°С 0,12±0,01 0,42±0,03 4

Опшен 500 22-23°С 0,11 ±0,03 0,42±0,07 5

10-12°С 0,09±0,01 0,33±0,10 2

Саригол 22-23°С 0,12±0,01 0,52±0,06 7

10-12°С 0,11 ±0,01 0,47±0,10 4

Северянин 22-23°С 0,14±0,03 0,45±0,09 7

10-12°С 0,07±0,01 0,44±0,08 3

НСР05 0,04 0,15

При более длительных экспозициях предварительного выращивания

растений в условиях пониженной температуры (6 и 8 недель) данный характер реакций в основном сохранился. Так, у растений сортов Квантум и Северянин в результате холодового закаливания в течение 8 недель коэффициент степени повреждения снизился соответственно в 2 и 1,5 раза. В то же время у растений сортов Опшен 500 и Саригол при длительных экспозициях уровень устойчивости несколько снизился (данные не приводятся). По-видимому, это связано с существенным отставанием темпов накопления биомассы у холодовых растений (табл. 6). Следует также отметить относительно низкие темпы нарастания биомассы в тепле у растений сорта Опшен 500, характеризующегося большей пластичностью, чем другие сорта.

Таблица 6

Сухая биомасса растений рапса при выращивании в условиях разных температур, __экспозиция 4 недели ___

Сорт Режим выращивания Биомасса, г Снижение биомассы, %

Листья Стебель Корень Все растение

Луговской 22-23°С 2,44±0,44 1,29±0,22 1,38±0,26 5,11 ±0,92 -

¡0-12°С 0,83±0,17 0,21 ±0,05 0,10±0,02 1,11 ±0,24 78

Квантум 22-23°С 1,37±0,44 0,74±0,15 1,11 ±0,45 3,22±1,04 -

10-12°С 0,57±0,14 0,10±0,02 0,14±0,02 0,81 ±0,18 75

Опшен 500 22-23°С 1,81 ±0,24 0,34±0,05 0,31 ±0,05 2,46±0,34 -

10-12°С 0,70±0,30 0,1б±0,05 0,18±0,07 1,04±0,41 58

Саригол 22-23°С 1,97±0,29 1,37±0,29 1.16±0,46 4,50±1,04 -

10-12°С 0,47±0,18 0,10±0,003 0,45±0,20 1,02±0,38 77

Северянин 22-23°С 2,53±1,39 0,62±0,33 2,41±1,45 5,56±3,17 -

10-12°С 0,71±0,10 0,06±0,01 0,11±0,03 0,88±0,14 84

НСР05 1,17

В данном опыте действие отрицательной температуры в течение суток не привело к гибели растений.

В следующем опыте изучали реакцию растений двух сортов на более продолжительное воздействие отрицательной температуры, до 7 суток (рис. 6). До стрессового воздействия растения в течение 4 недель выращивали при 22-230С, затем часть опытных растений параллельно с контролем в течение 4 недель выращивали при + 5°С. Действие низкотемпературного стресса в течение суток, как и в предыдущем опыте, не вызвало гибели растений. Выявлены сортовые различия в реакциях растений на холодовой стресс (более устойчив озимый сорт Северянин), но в большей степени проявились различия в реакциях закаленных и незакаленных растений. После суточной экспозиции в условиях стресса 40-80% закаленных растений оставались жизнеспособными. Более продолжительный холодовой стресс (3-7 суток) вызвал повреждение тканей листа на 90-100% у незакаленных растений, в то время как закаленные растения пострадали на 4050%, даже после 7-суточной экспозиции в условиях низких температур. Значительный разброс коэффициентов степени повреждения связан, по-видимому с неравномерным повреждением листовых пластинок.

Рис 6. Коэффициент степени повреждения тканей листа растений рапса сортов Луговской и Северянин,

выращенных при

разных температурных режимах, в зависимости от низкотемпературной экспозиции -5оС.

Важно подчеркнуть, что экспрессия одного из факторов морозоустойчивости СВР1 включает также и торможение ростовых процессов (АсИагё е1 а1., 2008). По крайней мере от части это связано с накоплением белков ОЕЬЬА, деградация которых, в свою очередь, стимулируется гиббереллинами (АсИагс!, ОепксЫк., 2008) По-видимому, это и есть одна из точек сопряжения упомянутых выше быстрых стресс-реакций акклимации и специализированных адаптаций растений, основанных на синхронизации онтогенеза с сезонными изменениями погодно-климатических условий.

ВЫВОДЫ

1. В результате сравнительно-физиологического изучения реакции на фотопериодические и температурные условия генотипов рапса разного географического происхождения установлены приспособления, обеспечивающие возможность их выращивания в разных эколого-географических зонах. Яровые сорта из умеренных широт характеризуются повышенным уровнем фотопериодической чувствительности по сравнению с сортами иранской селекции. Относительно низкий уровень фотопериодической чувствительности низкоширотных сортообразцов позволяет выращивать их в условиях короткого дня, в том числе в осенне-зимний период. Наиболее высокий уровень зимостойкости выявлен у озимых сортов российской селекции.

2. Для изученных сортовых популяций растений рапса характерна высокая изменчивость по уровню фотопериодической чувствительности и потребности в яровизации составляющих их биотипов.

3. В низкоширотных популяциях рапса иранского происхождения значительную долю составляют растения-двуручки, характеризующиеся повышенной зимостойкостью благодаря выраженному яровизационному контролю прохождения этапов онтогенеза.

4. В условиях биотеста гипокотили проростков озимых генотипов характеризуются меньшей скоростью растяжения и меньшей чувствительностью к гиббереллину Аз, чем гипокотили растений яровых форм. Наиболее сильная реакция растяжения гипокотиля при насыщающих концентрациях ГАэ наблюдалась у сорта Квантум, характеризующегося повышенной фотопериодической чувствительностью.

5. Холодовое закаливание растений яровых и озимых форм рапса при 10-12°С приводило к некоторой задержке темпов развития и накопления биомассы растений, однако семенная продуктивность при этом возрастала. У озимого сорта Северянин экспозиция на холоде в течение 8 недель способствовала более полному прохождению яровизации и не менее, чем двукратному, увеличению семенной продуктивности по сравнению с меньшими экспозициями; при данной экспозиции также существенно возрастала морозостойкость растений.

6. Реакция растений ярового сорта рапса Луговской и озимого Северянин на температурные условия выращивания и действие низкотемпературного стрессора (-5°С) была различной. В оптимальных условиях выращивания (+23 °С) сортовые различия в реакции на стрессор не обнаружены; при пониженной температуре выращивания (+5°С) степень повреждения была меньше у озимого сорта Северянин.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Тараканов И.Г., Раджабиан М. Рост, развитие и продуктивность генотипов рапса разного географического происхождения в зависимости от сроков выращивания // VI съезд общества физиологов растений России. Современная физиология растений: от молекул до экосистем. «Матер, докл. Межд. конф.». - Сыктывкар, 2007. Ч.З. - С. 423-424.

2. Rajabian М., Tarakanov I.G. Effect of ecological factors on growth and dry matter accumulation in three spring canola (Brassica napus L.) cultivars // Proceedings of the 1st Agricultural Conference of Iranian Researchers in Europe. - Moscow, 2007. - P. 40-45.

3. Тараканов И.Г., Раджабиан M. Фотопериодический и яровизационный контроль роста и развития у генотипов рапса разного географического происхождения // Известия ТСХА. - 2008. - Вып. 4. - С. 121-127.

4. Rajabian М., Tarakanov I.G. Cold resistance of canola (Brassica napus L.) cultivars as affected by acclimation to low temperature // Proceedings of the 2nd Agricultural Conference of Iranian Researchers in Europe. - Moscow, 2008. - P. 40-45.

Отпечатано с готового оригинал-макета

Формат 60Х841/,6 Объем 1,25 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 627

Издательство РГАУ -МСХА имени К.А. Тимирязева 127550,Москва, ул. Тимирязевская,44