Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Фотосинтетическая активность и донорно-акцепторные отношения в связи с продуктивностью оздоровленных растений картофеля

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Салимов, Амонулло Файзуллоевич, Душанбе

61 ■■ -о

ТАДЖИКСКИЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНСТИТУТ ФИЗИОЛОГИИ РАСТЕНИЙ И ГЕНЕТИКИ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН

На правах рукописи УДК: 633.491:581.132

г

САЛИМОВ АМОНУЛЛО ФАЙЗУЛЛОЕВИЧ

Фотосинтетическая деятельность и донорно-акцепторные отношения в связи с продуктивностью оздоровленных

растений картофеля

КГ

(03.00.12- физиология растений)

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научные руководители: член корреспондент АН РТ, д.б.н., профессор Алиев К.А д.б.н., доцент Каримов М.К.

ДУШАНБЕ - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..........................................4

I. Обзор литературы

1.1 История распространения картофеля..................10

1.2 Краткая характеристика вирусных болезней картофеля

в Таджикистане..................................13

1.3 Фотосинтез и продуктивность картофеля................17

1.4 Донорно-акцепторные отношения у растений картофеля .... 26

1.5 Состояние биотехнологии картофеля в Таджикистане......30

ЭКСПРЕМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ II. Условия, объекты и метод кь вес л е д о в а н и й

'V-.'. •••• - •••■■

. ■ -Л, -

11.1 Краткая почвенно - климатичебкая характеристика Гиссарской долины Таджикистана.....................37

11.2 Морфо-биологическая характеристика объектов исследований....................................40

11.3 Методы исследований..............................43

III. Результаты исследований

III. 1 Размножение оздоровленного исходного материала

картофеля в условиях Таджикистана..................47

111.2 Продуктивность различных линий оздоровленного картофеля......................................54

111.3 Продуктивность оздоровленного картофеля............63

111.3.1. Биологическая и хозяйственная продуктивность.......63

111.3.2. Урожайность оздоровленных и неоздоровленных растений картофеля............................66

111.4 Фотосинтетическая деятельность и продуктивность оздоровленных растений картофеля..................68

111.4.1. Площадь листьев...............................70

111.4.2. Эффективность работы листьев....................70

111.4.3. Интенсивность фотосинтеза......................74

111.4.4. Чистая продуктивность фотосинтеза................77

111.5 Донорно-акцепторные отношения и регуляция распределения продуктов фотосинтеза у оздоровленных растений картофеля......................................81

III.5.1 Распределение сухой биомассы по органам растений

картофеля...................................82

111.5.2. Коэффициент донорно-акцепторных отношений ..... .86

111.5.3. Аттрагирующая способность клубней..............88

IV. Заключение...................................91

V. Выводы......................................97

Список использованной литературы................98

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы : В последние годы в связи с интенсификацией сельскохозяйственного производства и

необходимостью создания новых высокопродуктивных сортов интенсивного типа большое значение для селекции приобретают исследования по оптимизации донорно-акцепторных отношений между вегетативными и хозяйственно-ценными органами растения и физиолого-биохимических процессов, которые обеспечивают максимальную продуктивность и требуемое качество урожая. Из всех видов взаимодействий между органами растений наибольший интерес с позиции физиологии растений и селекции представляют донорно-акцепторные отношения ассимилирующих и плодовых органов(Мокроносов, 1978; Кумаков, 1980). При исследовании донорно-акцепторных отношений приоритетными является выяснение природы и механизма функционирования аттрагирующих органов, разработка критериев для оценки состояния и силы взаимодействия доноров и акцепторов. С этой точки зрения особый интерес представляют исследования донорно-акцепторных отношений между

ассимилирующими и потребляющими органами картофеля.

Картофель одна из основных сельскохозяйственных культур предгорных и горных районов Таджикистана, отличающихся наиболее благоприятными условиями для его выращивания.

Картофель выполняет важную роль в решении продовольственной проблемы для возрастающего населения мира, особенно в развивающихся странах. Потребность в картофеле каждые 10-15 лет удваивается.

Потребность хозяйств республики в семенном картофеле составляет 45-50 тыс.тонн, тогда как производство составляет 17,3 тыс.тонн. Разрыв между потребностью и сбором очень велик.

Урожайность картофеля в Таджикистане в последние годы находятся в пределах 81 - 121 ц/га. Главной причиной низкой урожайности этой культуры является отсутствие оздоровленного семенного материала и слабая организация системы семеноводства.

Будущее семеноводства в Республике Таджикистан связано с необходимостью использования методов генной и клеточной инженерии, способных воздействовать на экономику и формирующих характер производства семенного материала на современном этапе развития.

Используемый семенной картофель во всех зонах его выращивания не отвечает требованиям производства ввиду наличия вирусной и бактериальных инфекции.Семенной материал в течение 30 лет не обнавлялся, что явилось причиной низкой жизнеспособности семян и низкой урожайности. Использование в картофелеводстве хозяйственных сортов практически ориентируется на завозном семенном картофеле.

Практика последних лет показывает, что с завозом семенного картофеля связаны многие негативные явления, такие как

распространение нематод, колорадского жука и других заболеваний. Все это отрицательно сказывается на урожайности картофеля и качестве семенного материала и приводит к резкому сокращению семенного картофеля.

Все это послужило основной причиной уменьшения площади возделывания картофеля и низкой продуктивности. Площадь возделывания картофеля в Республике Таджикистан в 1996-1997гг. составила примерно 5 тыс. гектаров и средняя урожайность около 130-170 ц/га, тогда как в 1989 - 1991 гг. соответственно была 10-12 тыс.гектаров и 180-220 ц/га.

Поэтому одной из главнейших задач является создание и внедрение новых технологий выращивания семенного и товарного картофеля, свободного от вирусной инфекции и паразитов.

Вирусные болезни картофеля широко распространены во многих странах мира, где они являются основным источником заболевания картофеля. Установлены наиболее распространенные и вредоносные болезни в картофелеводческих хозяйствах Таджикистана (Каримов, 1984; Алиев, Каримов, 1997). Ежегодно потери от вирусных болезней составляют не менее 20-30 %,особенно от вируса скручивания листьев (X). В настоящее время известно около 20 вирусов картофеля (Зыкин, 1984).

Независимо от формы проявления симптомов заболевания вирусы заметно влияют на растения -хозяина,что сказывается на метаболической перестройке внутри клеток, на нарушение и взаимодействие генетических элементов клетки (хлоропласты, митохондрии, ядро). Некоторые авторы причиной нарушения биохимических процессов в клетках склонны считать изменение фотосинтетической функции ( Насыров, Муминджанов и др., 1997; Давлятназарова, 1997). Здесь актуальным является выяснение характера взаимодействия генов хлоропластов и генов вирусов,что имеет и практическую значимость в создании растений картофеля со свободным от вирусов фотосинтетическим аппаратом, что имеет важное значение в безвирусном семеноводстве этой культуры.

В основе этого лежат методы получения безвирусной суперэлиты картофеля. Следовательно, необходимо переходить к исследованиям на уровне клетке,которые позволят получить растения-регенеранты, свободные от вирусов. Важнейшим элементом этой системы является оздоровление преспективных и лучших районированных сортов картофеля в Таджикистане.

Исследования влияния вирусов на фотосинтетическую активность картофеля пока единичны. Поэтому выяснение биохимических и физиологических основ взаимодействия вирусов не только пополнят наши знания о механизмах взаимодействия между вирусами и геномом клетки, но также позволят разобраться в механизмах устойчивости растений к этим вредителям.

Кроме того, в Республике практически отсутствует семеноводство высокоурожайных и устойчивых к болезням сортов картофеля. Отсюда,большой интерес представляют разработка и внедрение биотехнологических приемов в семеноводстве картофеля с целью применения в Таджикистане новых технологий выращивания семенного и товарого картофеля.

Найдены эффективные методы переноса генетической информации в растительную клетку (Пирузян,1988). С помощью природных векторов, так называемых растительных плазмид,в последний годы широко используется метод культуры in vitro картофеля, поскольку применение регенерантов из разных органов этой культуры практически разработано. Имеется данные о механизме сомаклоновой изменчивости регенерантов картофеля,что имеет важную практическое значение (Алиев и др.,1997, Бобоев1997,Урузалиев, Алимгазинов1997).

Необходимым требованием к новым сортам картофеля является придание им устойчивости к вирусам, вироидам и грибным заболеваниям. Не менее важное значение имеет устойчивость картофеля к стрессовым воздействиям среды (Каримов 1998, Турпанов и др. 1997, Нуркиянов и др. 1997).

Базой безвирусного семенного картофелеводства в Таджикистане должны стать хозяйства с высокой технологией выращивания, имеющие специалистов высокого уровня, экологически чистую почву и окружающую среду. Всем этим требованиям отвечают некоторые

хозяйства Файзабадского, Гармского Джиргитальского,Шахристанского районов и Горной Матчи (Каримов и др. 1991).

Вместе с тем, разработка и внедрение меристемной культуры не гарантирует создание устойчивых сортов картофеля к болезням, нематодам и колорадскому жуку без изучения генетической и модификационной изменчивости регенерантов картофеля, что

существенно ускоряет получение новых сортов оздоровленного картофеля.

Одной из фундаментальных проблем современной биохимии и физиологии растений является понимание взаимодействия вирусов, бактерий с клетками растений, поскольку знание тончайших механизмов проникновения вирусных частиц в клетку, их репликация, взаимодействие с её геномом может обеспечить успех в защите растительного организма от этой инфекции.

Цель настоящей работы-изучение показателей фотосинтетической деятельности,донорно-акцепторных отношений и продуктивности у оздоровленных с использованием методов микроклонального размножения растений картофеля ряда перспективных и районированных сортов.

В соответствии с этим были поставлены следующие задачи:

- использовать технологию (методы) получения оздоровленных растений картофеля в разных экологических и агроклиматических условиях (горных и предгорных зон) Таджикистана для изучения у них фотосинтеза,донорно-акцепторные отношений и продуктивности;

- изучить особенности формирования биологической и хозяйственной продуктивности оздоровленных растений картофеля;

- определить значение отдельных показателей фотосинтетической деятельности растений в формировании урожая;

-исследовать характер направления росты, распределения и перераспределения сухой биомассы по органам у оздоровленных растений картофеля ;

-провести анализ состояния донорно-акцепторных отношений между фотосинтетическим аппаратом и клубнями у картофеля и выявить лимитирующие факторы урожайности.

I. Обзор литературы

1.1 История распространения картофеля

Картофель - многолетнее травянистое растение, но в культуре используется как однолетнее, потому что весь его жизненный цикл, начиная от прорастания клубня и кончая образованием и развитием новых клубней, проходит в один вегетационный период.

Возделываемые большое разнообразие сортов картофеля относятся к основному виду Solanum tuberosum L семейства Solanaceace (Вавилов, 1982; Башанова, 1970;Мусиев и др., 1991)

Культурные виды картофеля созданы человеком на основе южноамериканской тихоокеанской группы Tuberosa. Родина культурного картофеля - Южная Америка,территория современных андийских стран. Из Америки в Европу (Испанию) культурный картофель завезли в 1565 г.,а из Испании он попал в Италию, в 1587 г.,-из Италии в Бельгию. Затем картофель попадал во Францию,Германию, Венгрию, Швецию.

В Россию первый картофель был отправлен из Голландии Петром Первым во время его путешествия (конец XVIIb.) в Европу, а первый семенной картофель закупили по указанию самой Екатерины II у садовника Летнего сада в Петербурге Эклебена(Камераз, 1954).

Картофель в Таджикистане, как и в других среднеазиатских государствах считается относительно новой культурой,которая была интродуцирована до революции.В северные районы Таджикистана он проник из Узбекистана, а на Памир и в Каратегинскую долину его завезли офицеры пограничники. Также существует предположение о проникновении картофеля на Памир из Китая (Мусиев и др.,1991 ;Джонгиров,1995).

В начале внедрение картофеля и расширение его площадей из-за сильного его вырождения в долинных районах шло очень медленно. В

1930-е годы, только после организации научной базы и первого сельскохозяйственного вуза Таджикистана - Среднеазиатского плодоовощного института (САПОЙ) было уделено должное внимание развитию этих отраслей сельскохозяйственного производства

(Насыров,1995).

Изучением сортовых особенностей и разработкой агротехнических мероприятий,выявлением перспективных сортов,селекцией и семеноводством картофеля в течение нескольких лет занимаются сотрудники НПО "Богпарвар" (Султонов,1971;Кушнарева,1971; Партоев,1987).

В 1987 - 1990 гг. на Западном Памире Дж.О.Джонгиров (1995) проводил комплексное изучение диких и культурных видов картофеля и селекционных сортов, в результате чего выявил среди них формы,ценные для использования в первичной селекции,обладающие повышенной фертильностью,обильным ягодообразованием, высокой продуктивностью, морозостойкостью, устойчивостью к вирусным и грибным болезням,способностью передавать эти признаки гибридному потомству (Муминджанов,1997).

Анализ показателей картофелеводства Таджикистана за 1985 -1995 гг. показывает, что в последние годы наблюдается резкий спад урожайности: 1985 год -урожайность- 180-200 ц/га,а в 1995 году -80-120 ц/га.Этот показатель в 1994-1995 гг. упал на 60% по сравнению с урожайностью в 1985 г. При этом площадь, занятая под картофелем меняется по годам незначительно,за исключением последного года, когда она резко сократилась в связи с нехваткой семенного материала (1985 г.-12,5 тыс.га 1995 г.-5,5 тыс.га).

Картофель относится к растениям с углеводным типом обмена веществ, так как в его запасных органах откладывается углевод-крахмал. В состав картофеля входит от 1,5 до 3% белковых веществ, но в отличие от других растительных белков, белок картофеля

относится к высокоусвояемым и по этому признаку он более всего приближается к животным.Белок картофеля отличается своей биологической полноценностью по аминокислотному составу (КамеразД 954; Башанова, 1970; Мусиев и др., 1991)

По уровню производства энергии с единицы площади он занимает одно из первых мест в списке основных продовольственных культур мира.Клубни картофеля богаты ценными высококачественными углеводами,витаминами и минеральными элементами ( Раи1,1985; Бобкова,1986;СЬап(Й1а,1994).

Многочисленными исследованиями установлено, что картофель является растением умеренного климата. Благодаря своей пластичности он при определенных условиях может произрастать как на крайнем юге, так и далеко на севере. Наиболее устойчивые его урожаи получают в районах средних широт,имеющих относительно высокую температуру в период вегетации.

Картофель возделывают почти исключитально между 40° и 60° с.ш. Реже он проникает дальше на север - до 70° с.ш., где дает неплохой урожай (Камераз,1954; Бацанова, 1970)

Снижение урожайности картофеля связано с нарушением норм и правил агротехники.Это объясняется нехваткой минеральных удобрений,химичесикх средств защиты картофеля от болезней и вредителей. Но главная причина - это отсуствие оздоровленного высококачественного семенного материала и слабая организация системы семеноводства, не говоря уже о его переводе на безвирусную основу.

Картофель относится к числу культур, в сильной степени поражаемых болезнями, которые нередко являются основной причиной резкого снижения его урожая. Богатая углеводами ботва и клубни картофеля-прекрасный субстрат для многочисленных

патогенных микроорганизмов, грибов и бактерий ,вызывающих различные заболевания этой культуры. Среди них самыми вредоносными являются фитофтороз, макроспориоз, альтернариоз, рак картофеля, мучнистая роса, парша, гниль и др. Но, как уже было отмечено, вирусные болезни наносят больше вреда и вызывают потери, недобор огромного количество урожая клубней картофеля (Зыкин, 1976;Викторова, 1979).

Вирусные болезни картофеля распространены во всех странах и районах, где возделывают эту культуру.Они-один из главных факторов, ограничивающих или затрудняющих выращивание картофеля в странах теплого и жаркого климата.

Ежегодные потери урожая от вирусных болезней составляют не менее 40%. В настоящее время известно около 20 вирусов картофеля