Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Особенности минерального питания семенного картофеля при микроклональном размножении в биотехнологической системе

ВАК РФ 03.00.23, Биотехнология

Автореферат диссертации по теме "Особенности минерального питания семенного картофеля при микроклональном размножении в биотехнологической системе"

11 и од

пгг?

На правах рукописи

| / г.? ; ; ■

МАРТИРОСЯН Юрий Цатурович

ОСОБЕННОСТИ МИНЕРАЛЬНОГО ПИТАНИЯ

СЕМЕННОГО КАРТОФЕЛЯ ПРИ МИКРОКЛОНАЛЬНОМ РАЗМНОЖЕНИИ В БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ

(03.00.23— Биотехнология)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА 1998

Работа выполнена в лаборатории безвирусных культур Всероссийского научно-исследовательского института сельскохозяйственной биотехнологии РАСХН.

Научный руководитель — доктор биологических паук, профессор О. С. Мелик-Саркисов.

Официальные оппоненты: доктор биологических паук В. В. Мазин; кандидат биологических наук К. А. Можаева.

Ведущая организация — Московская сельскохозяйственная академия им. К- А. Тимирязева.

Защита диссертации состоится ...... 1998 г.

в ..... час. на заседании диссертационного совета

Д. 020.40.01 при ВНИИ сельскохозяйственной биотехнологии РАСХН по адресу: 127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, д. 42.

С диссертацией можно ознакомиться, в библиотеке ВНИИ сельскохозяйственной биотехнологии РАСХН.

Автореферат разослан........1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета — кандидат биологических наук

С. А. Меликова

ОКЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Картофель - одна из важнейших п широко распространенных сел ьскохозяйа венных культур. Практическая селекция, используя мировой генофонд картофеля, создала сотни сортов, специализированных для пищевых, кормовых, технических целей, отличающихся устойчивостью к болезням и насекомым, для разных регионов и климатических зон. Уже сейчас урожаи картофеля могли бы достигать 500-700 ц/га, а теоретически возможная урожайность составляет 1200 ц/га (Ничипорович, 1970). Однако в реальных условиях '.»тот потенциал используется лишь на 15-20%. Перевод картофелеводства на интенсивные технологии требует не только новых технологических решений, но и создания новых сортов и агротехнических приемов, направленных на реализацию биологического потенциала картофеля. II решении проблемы повышения урожайности, улучшения товарных и вкусовых качеств картофеля немаловажное значение имеет борьба с вирусными заболеваниями, разработка проблем минерального питания и водного обмена картофеля, направленных на создание ресурсосберегающих и экологически чистых технологий в картофелеводстве.

Вредоносность вирусной инфекции особенно сильно проявляется у вегетативно размножающихся культур. Что касается картофеля, то многие исследователи отмечают, что эта культура отличается едва ли не наибольшим количеством вирусов, усугубляющимся их вредоносностью (Боудэн, 1952; Амбросов, 1978; Блоцкая, 1989). Наиболее распространенными и вредоносными для картофеля являются вирусы X, У. 8, Ь, А, Р, М, а также виронд веретеновндности клубней картофеля. Снижение урожайности под действием вирусной инфекции варьирует от 15 до 75% в зависимости от условий выращивания, и по сгране недобор урожая в результате поражения вирусами составляете среднем 25% (Мелик-Саркисов, ¡984; Атабеков, 1988). Эффективных мер борьбы с вирусными болезнями растений до сих пор не найдено, поэтому одним из основных путей повышения урожайности картофеля стал переход на безвирусное семеноводство, основанное на культуре апикальной меристемы.

Цс.и, и задачи исследования. Известно, что вирусная инфекция существенно изменяет практически все физиологические параметры растения, что, в конечном итоге, приводи г к снижению его продуктивности (Сгазписк с! аК, 1973; Тср-Сааков и др., 1486) Однако причины снижения продуктивности инфицированных растений с точки зрения физиологии пока до копка не ясны. Крайне мало изучен вопрос поступления, распределения и использования элементов минерального питания в зависимости от наличия или отсутствия вирусной инфекции. Нашей задачей являлось сравнительное изучение особенностей минерального питания оздоровленных и пораженных вирусной инфекцией растений картофеля, влияния повышенных доз питательных веществ на растения, свободные от вирусной инфекции, и нахождение оптимального уровня' минеральною низания свободных от вирусов растений картофеля.

Научная повита и практическая значимость работы Ранее изучение физиологии каргофеля проводилось без строгого учета наличия вирусных заболеваний, и н результате физиология безвирусного каргофеля осталась практически неизученной. Вопрос поступления, распределения и использования элементов минерального питания картофелем, свободным ог вирусной инфекции, исследован крайне мало, поэтому полученные в ходе экспериментов результаты имеют, кроме научного, и важнейшее практическое значение, так как даюг возможность разработать научно обоснованные агротехнические мероприятия при возделывании безвирусного картофеля. Нами установлен ряд особенностей минерального питания свободных от вирусной инфекции растений каргофеля, показаны различия в использовании питательных веществ при заражении комплексом вредоносных вирусов и ослабленным штаммом Х-вируса, и зучена реакция свободных от вирусов растений на высокие дозы питательных веществ, лапы рекомендации по системе удобрения безвирусного картофеля, разработана система выращивания оздорошюшых миниклубней в биотехнологической системе.

Апробация работы. Результаты исследований прошли производственную проверку на опытной базе "Горки Ленинские" Московской области, в гидропонной установке лаборатории безвирусных культур ВНИИСБ. Материалы диссертации доложены на конференции "Актуальные проблемы биотехнологии в растениеводстве,

животноводстве и ветеринарии" (Москва, !')%) и в лаборатории безвирусиых кулыур ВИИИ сельскохозяйственной биотехнологии.

Публикации. I !о материалам диссертации опубликовано 6 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит ич следующих разделов: введение, обзор литературы, материалы и методы, экспериментальная часть, включающая результаты и их обсуждение, заключение, выводы, список литературы, предложения производству, приложение. Работ изложена на 116 страницах машинописного текста, содержит 12 рисунков и 16 таблиц; список литературы включает 336 наименований, и том числе <)3 - иностранных авторов.

СОДЕРЖА ПИК РАБОТЫ

Глава "Вирусная инфекция: влияние на растении; вред, причиняемый культурным растениям, и пути его снижения" представляет собой обзор литературы. Здесь приводятся данные о снижении урожайности, ухудшении показателей качества клубней картофеля, пораженного вирусной инфекцией Рассматриваются методы оздоровления картофеля, характеризуется состояние и перспективы картофелеводства иа безвирусной основе в России и в мире. Подробно описываются сведения, имеющиеся в литературных источниках, о действии вирусной инфекции на внешние проявления, основные физиологические и биохимические характеристики растений картофеля. Показано, что свободный от вирусной инфекции картофель значительно отличается от пораженного по всем этим параметрам, тем не менее, эти рааличия изучены крайне мало. Что касается минерального питания свободного от вирусной инфекции картофеля, то имеющиеся немногочисленные литературные сведения настолько противоречивы, что трудно сделать какие-либо выводы. В качестве отправной точки и объекта сравнения приводятся хорошо известные данные об общей потребности, динамике потребления, распределении по органам, выносе основных элементов минерального питания обычным картофелем

В главе "Материалы и методы" излагается методология работы, описание

опытов, методика агрохимических, цитологических анализов, диагностики вирусных заболеваний, математической обработки результатов экспериментов.

Для сравнительных исследований использовали картофель, инфицированный комплексом вирусов (X, М, У, 1:, Б-вирусы), слабопатогенным штаммом Х-вируса, и картофель, оздоропленный методом культуры апикальной меристемы с последующим микроклональным размножением на искусственных средах, В опытах использовали раннеспелый сорт картофеля Ранняя Роза, среднерашшй сорт Невский и среднеспелый сорт Гатчинский. Были проведены полевые опыты на дерново-слабоподзолистои срслнссуглинистой почве, вегетационные опыты на инертном материале (перлит), оныгы в контролируемых условиях (фитотрон) и в безсубстратной проточной культуре' в гидропонной устаноике при контроле состава питательной среды. При выращивании растений на перлите в вегетационных опытах и в контролируемых условиях для подкормки использовали питательный раствор по прописи Кнопа п разных концентрациях. Повторность всех опытов 10-кратная, количество учетных растений каждого вариан та - 30.

Трижды за вегетацию все выращиваемые растения тестировались иммунофермеитным методом с использованием сывороток ОПХ "Коренево" на наличие в них инфекции X, У, Б, М, Р-вирусов картофеля и вируса скручивания листьев картофеля. Инфицированные растения выбраковывались.

По достижении посадка'ми основных фенологических фаз (всходы - 4 - 5 настоящих листьев; бутонизация - образование мелких зеленых бутонов; цветение; увядание ботвы) часть растений изымали из культивационной среды, разделяли на отдельные органы, взвешивали, высушивали в сушильном шкафу до постоянного веса, измельчали при помощи лабораторной мельницы и упаковывали в 'пакеты. Подготовленные образцы в дальнейшем использовали для проведения химических анализов на содержание азота, фосфора и калия по общепринятым методикам с использованием современного лабораторного оборудования. Газометрический анализ проводили по СО2 Концентрацию пигментов определяли по методике Шлыка (1965).

Изучение цитогенетнческот эффекта влияния различных концентраций питательно! о раствора проводили по основным фазам вегетации растений на корешках

пророщениых клубне» и точках роста стеблевых меристем Препараты фиксировали в фиксаторе Карнуа. Цитогенетичсскин анализ проводили надавленных ацетокармниоиых препаратах методом анафазных пластинок.

Статистическую обработку результатов исследований проводили методом дисперсионного анализа по Доспехову ( 1979).

Глава "Особенности роста и развитии растений картофеля, нораженнык слабопатогенным штаммом Х-вируса" посвящена изучению влияния одною ослабленного штамма Х-вируса на растения картофеля. Известно, что некоторые вирусы и их штаммы могут существенно влиять на устойчивость растении к вотбуднтелям других заболеваний. Этт» прежде всего относится к Х-вирусу, или вирусу "здорового картофеля" (Шмыгля, Постников, 1991). Влияние вирусной инфекции на рост и развитие растений имеет сложный характер Кроме подавления роста и дифференциации, могут наблюдаться и избыточный рост и дифференциация Характер и размеры нарушений зависят от многих факторов: специфического взаимодействия растений с определенным вирусом, возраста и состояния растения, способа и времени заражения, концентрация вирусов, попавших в растение, условий окружающей среды и т.д.

Нами проведено исследование различий в потреблении элементов минеральною питания растениями картофеля сорта "Ранняя роза", инфицированными слабопатогенным штаммом ХВК и свободными от инфекции. Растения выращивали в пленочной теплице при естественном освещении, в вегетационных сосудах емкостью 5 л. В качестве субстрата использовали перлит.

У исследуемого сорта картофеля длительность вегетации свободных от вирусной инфекции растений составляла 80-85 дней, а у инфицированных - 90-95 дней. Появление всходов у инфицированных растений произошло на 4-5 дней раньше, чем у здоровых, но уже к фазе массовых всходов здоровые растения по весу ботвы превышали пораженные. Однако корневая система была лучше развита у больных растений. Они также характеризовались большей высотой стеблей и биомассой ботвы и корней в фазу бутонизации. В фазу увядания безвирусные растения превосходили зараженные X-вирусом по высоте стеблей, но имели меньшую массу ботвы К моменту уборки у

безвирусных растений 65-80% листьев усохло, остальные пожелтели, а у инфицированных усохло только 30-45% листьев, остальные сохраняли светло-зеленую (с мозаичной крапча гостью) окраску.

Иная картина наблюдается в отношении клубней. В фазу бутонизации у бсзпирусных растений было большее количество зачаточных клубней, также насчитывалось большее число растений с клубнями. Масса клубней здоровых растений в фазу цветения на 36,4% превышала таковую у инфицированною картофеля; в фазе увядания эта разница составляла 12,6%. Однако при уборке масса клубней больных растений оказалась на 6,8% больше, чем здоровых.

Содержание азота и фосфора в первой фенофазе было более высоким у инфицированных растении, а калия - у здоровых (рис. 1) В последующие сроки оздоровленные растения поглощали больше питательных веществ. Этим обусловлено и соответствующее содержание сухою вещества в растениях по срокам наблюдения.

Гие.1. Содержание питательных веществ в сухой массе |1;киинн кар юфелч copia "Ранняя роза" в зависимости от возраста (точность опыта 0,8%).

—N. безвирусные —ev-N, инфицированные "А- Р. безвирусные ' ~Н-Р, инфицированные —— К. безвирусные # К. инфицированные

Возраст, дней

- е-

Интенсивность фотосинтеза зараженных Х-нирусом растений » фаты всходов -бутонизации несколько превышала таковую оздоровленных растений, в период цветения безвнрусные растения немного превышали но интенсивности фотосинтеза больные, а к моменту увядания интенсивность фотосинтеза свободных <п Х-вируса растений была на значи тельно более жпком уровне, чем у инфицированных, х<ня »та фенофаза соответствует лишь безвирусным растениям ввиду того, что инфицированные растения в это время еще продолжали вегегировать. В результате суммарный фотосинтез последних оказался выше, чем у оздоровленных.

Х.Ярошем (1469) показана связь между падением росговой активности растительных экстрактов н накоплением ингибиторов роста в стареющих листьях, причем у больных растений эта зависимость выражена сильнее. Гот факт, чю зараженные Х-внрусом картофеля растения, в отличие от здоровых, дольше вегетнровали, предположительно можно объяснить следующим образом В этот период онтогенеза у свободных от инфекции растении заканчиваются ростовые процессы Синтез стимуляторов роста отключается, преобладает синтез ннгибитороп роста. У инфицированных же растений из-за нарушения нормального хода процессов листья в конце вегетации продолжают фотосннтетическую деятельность. Таким, сортом, слабопатогенный штамм Х-вируса пролонгирует жизненные процессы инфицированных растений, вегетационный период у них удлиняется на 2 недели н за счет этого увеличивается урожай клубней на 6,8 %

Результаты опытов, подученные в эксперименте с сорюм картофеля "Ранняя роза", инфицированном этим вирусом, нельзя шиернретировать однозначно в пользу слабопатогенного штамма Х-вируса, т.к. в ходе вегетации картофеля необходимо учитывать условия окружающей среды (температура и влажность воздуха, длина светового дня), специфику взаимоотношении растения с Х-вирусом, конненфашно в растении вируса и другие факторы, определяющие характер влияния инфекции ни poci и развитие растений.

Глава "Особенности минерального питании спободно! о or вирусном инфекции картофеля" посвящена выяснению различий в потреблении миiuie.ii.in.i4 веществ больными и здоровыми растениями. С этой целью в 1990 и 1991 толах были

поставлены полевые опыты с картофелем сортов "Невский" и "Гатчинский" на опытной бате "Горки Ленинские" Московской области и вегетационный опыт в осенне-зимний период 1991 года в условиях фитотрона с картофелем сорта "Невский". Годы проведения полевых опытов существенно различались по метеоусловиям. Вегетационный сезон 1991 года был умеренно влажным и тСплым и оказался благоприятным для картофеля Лето 1990 года было сырым и прохладным, что отрицательно сказалось на росте растений и формировании клубней.

Для сравнительного изучения брали четвертую производственную репродукцию инфицированного комплексом X, У, Я - вирусов картофеля тех же сортов. В вегетационном опыте питательную смесь Кнопа вносили дробно трижды за вегетацию' - 0,5 полной дозы при посадке, а оставшуюся часть 2 раза в подкормку.

Здоровые растения отличались более интенсивным ростом и окраской листьев, более широкой поверхностью листовой пластинки и менее изрезанной формой ее, более ранним прохождением фенофаз и большей урожайностью. Такие растения за период вегетации накапливает примерно в 1,5 раза больше сухих веществ, а урожай клубней был на 70% выше. С накоплением биомассы в течение вегетации содержание в растениях картофеля азота и фосфора снижалось. Содержание калия снижалось до конца первой половины вегетации (табл. 1).

Таблица 1

Содержание азота, фосфора и калия (%) в листьях и вынос элементов минерального питания (т/растение) растениями картофеля сорта "Невский" (на сухой вес) (точность опыта 1,1 %)

Фенофаза N Р20, . К20

(инфицированные - здоровые растения)

¿2

0,40 1,00

6,0 4,8

1,09 2,40

5А.

2,46 5,10

М 6,6

6,16 10.75

* - числитель - содержание ЫРК; знаменатель - вынос ЫРК.

5-6 лист 62 ОМ. 0,87 0,34 0,88 0,06 0,15 Бутонизация 5,4. _5Л. 0.62 0.65 1,02 1,38 0,09 0,23 Цветение 1А. <136 0Л 1,34 2,37 0.21 0,29 Увядание £4 0,36 0^9 __ 193 5^93 0,51 0.84

Относительное содержание азота во всех органах оздоровленных растений было ниже в течение всего периода наблюдений, а калия - было пониженным » листьях только в первой половине вегетации. В других органах содержание его на 1,5% выше, чем у больного картофеля. У здоровых растений в период интенсивною роста калий более активно включается в процессы метаболизма и используется на построении тканей. В отношении фосфора четких различий не прослеживается.

Оздоровленный картофель выносил больше элементов питания (рис. 2), причем эти различия определяются не только величиной урожая, но и различиями в содержании элементов питания в опытных и контрольных растениях. Оздоровленные растения выносили в 1,5 раза больше азота, в 1,65 раза - фосфора и в 1,83 раза - калия. Анализ соотношения выноса элементов минерального питания показывает увеличение содержания калия и уменьшение доли азота в органах картофеля, освобожденного от вирусов Если за единицу взять вынос азота, то соотношение Ы1':К составит 1:0,13:1,57 у больных и 1:0,14:1,90 у оздоровленных растений. .

Рис. 2. Вынос питательных веществ картофелем сортов "Гатчинский" (Л) п "И«вскнй"(Б)(1991 г) (точность опыта 1,2%)

В период наибольшего потребления питательных веществ (фаза бутонизации) интенсивность выноса азота у здоровых растений выше, чем у больных, в 1,35 раза; фосфора - в 2,6 и калия - в 2,2 раза.

Отличия свободных от вирусов растений от инфицированных по показателям минерального питания, повышенная интенсивность поглощения питательных веществ из почвы и более эффективное использование их для формирования урожая предполагают большую требовательность оздоровленных растений к уровню питательного фона, но в то же время и более высокую их отзывчивость на внесение удобрений. Для выяснения потребности здорового картофеля в элементах питания были поставлены вегетационные опыты с возрастающими дозами питательного раствора.' Питательные вещества вносили в субстрат в виде раствора Кнопа в 0,5; 1 и 2-кратной концентрации в опыте с картофелем сорта "Ранняя роза" и 0,5; 1; 2 и 4-кратной концентрации под картофель сорта "Невский". Дозы вносили дробно - при посадке и два раза в подкормку в фазу 5-6 листа и бутонизации.

Рис. 3. Динамика накопления сухого вещества картофелем сорта "Невский" в зависимости от концентрации питательною раствора (точность опыта 1,2 %).

Максимальная биомасса у оздоровленных растений сорта "Ранняя роза" (табл. 2) накапливаюсь при концентрации питательного раствора, равной 1, а у инфицированных - мри 2-кратнои. При 0,5-кратной концентрации питательных веществ биомасса была наименьшей, также самой низкой была доля клубней в биомассе растений и

соотношение ботва / клубни, что обусловлено недостатком питательных веществ Наибольший выход клубней н лучшее соотношение товарной и нетоварной частей получено в варианте с двойной дозой питательных веществ, причем у здоровых растений отмечается наилучшее соотношение в пользу клубней. Абсолютная доля клубней (г/растение) значительно больше у оздоровленных растений при всех уровнях питания.

Как больные, так и здоровые растения картофеля сорта "Невский" формировали максимальную биомассу при концентрации, равной 1 дозе полного питательного раствора Кнопа (рис. 3). Это различие но отношению к сорту "Ранняя роза" связано с условиями проведения опыта.

Отношение массы безвирусных растений к массе инфицированных (сорт "Ранняя роза") было наибольшим при самом низком уровне питания и составило 1,7 (табл. 2). Несмотря на низкий уровень содержания питательных веществ, безвирусные растения способны продуцировать большую надземную биомассу и урожай клубней, однако эти условия полностью лимитируют их потенциальную продуктивность. Оздоровленные растення чрезвычайно положительно реагируют на внесение повышенных доз питательных веществ (в нашем опыте - 2-кратная доза). Они используют эти вещества интенсивно и весьма эффективно как на построение ассимилирующей части, так и на образование большего количества клубней. Увеличение этого отношения, которое достигает максимума в токсическом диапазоне (для сорта "Невский", 1991 г.), при повышении концентрации питательного раствора дает основание судить о более высокой толерантности здоровых растений по отношению к неблагоприятным условиях питания.

При всех концентрациях питательного раствора относительная продуктивность безвирусных растений была значительно большей, чем у инфицированных. Недостаток питательных веществ не оказывал существенного влияния на этот показатель, в то время как при избытке он резко снижался. Что касается пораженных растений, то можно констатировать, что увеличение дозы полного удобрения, сбалансированного по элементам питания (а таковым и является раствор Кнопа),

-а-

помогает растениям противостоять вирусной инфекции и маскирует симптомы заболевания.

Таблица 2

Продуктивность инфицированных и оздоровленных растений картофеля сорта "Ранняя роза" к концу вегетации в зависимости от уровня минерального питания (точность опыта 3,7 %)

Доза пита- Биомасса растений Доля клубней в сухой Соотношение

тельного (здоровые/больные) биомассе (г) клубни/ботва

раствора (здоровые/больные) (здоровые/больные)

0,5 113,9/66,4 56,2/34,6. ' 0,97/1,08

1 183,3/111,3 93,6/59,5 1,04/1,15

2 176,6/151,3 131,5/80,7 1,59/1,31

Что касается содержания минеральных элементов в растениях, здесь наблюдается закономерность, одинаковая для обоих изучаемых сортов картофеля. Содержание азота в листьях безвнрусных растений было меньшим, чем у инфицированных на всех фонах питания, данные по содержанию фосфора достоверно не различались. Содержание калия в листьях оздоровленных растений на пониженном фоне питания (0,5 дозы) до фазы цветения было больше, на остальных фонах оно было выше у пораженных вирусами растений во все сроки наблюдения.

Соотношение М:Р:К при уровнях питания 0,5 и 1 доза раствора Кнона у здоровых растений было сдвинуто в сторону калия, а у больных - в сторону азота, что еще раз подтверждает наличие нарушений в системе питания инфицированных растений. В целом соотношение Ы:Р:К у больных растений шире. При применении 2-кратной дозы питательных веществ у больных растений оно сузилось за счет увеличения относительного содержания калия. Мы полагаем, что такая доза внесенных питательных веществ способствовала улучшению состояния больных растений.

В главе "Сравнительное изучение влияния высоких доз минеральных удобрений на цвгогенетическую изменчивость у инфицированных и свободных от иирусной инфекции растений картофеля" рассматривается влияние высоких доз минеральных удобрений на организм растений. Нередко, стремясь повысить урожай, применяют необоснованно высокие дозы минеральных удобрений, а это.чревато явными

и скрытыми опасностями. Прежде исего в растениях могут накапливаться в повышенных концентрациях вредные вещества (N0^), которые чагем поступают и в организм человека. Кроме того, ухудшаются кулинарные качества картофеля, его лежкость. С другой стороны, высокие концентрации солей имеют отрицательное влияние на устойчивость генома растений (Гуральчук и др., 1988 ) Нами была поставлена задача выяснить действие повышенных доз элементов минерального питания растений на генетический аппарат здорового и пораженного вирусами картофеля и оценить их мутагенный эффект.

Изучение цитогенетического эффекта разных концентраций питательного раствора Кнопа проводили по основным фазам вегетационного периода: бутонизация, цветение, увядание. Изучали митотическую активность меристем и количество хромосомных нарушений. Результаты исследований представлены на рисунках 4 и 5.

Рис.4. Частота хромосомных аберраций (на 100 анафаз) в точках роста оздоровленных и инфицированных растений картофеля в течении вегетации в зависимости от концентрации питательных веществ.

35

О

0.5

2

А

Дозы

□ Бутонизация безвирусных растений ОУвядание безвирусных растений П Цретение вирусных растений

ЕЭ Цветение безвирусных растений О Бу-гоинзация вирусных растений □ Увядание вирусных растений

Количество просмотренных аиафазных пластинок по вариантам контроль-800 0,5-800 1 - 1000 2-ЮОО 4-1000

Рис.5. Чясюта хромосомны* аберраций в меристемах корешков иророщсннык клубней оздоровленного и инфицированного кар гафели в таннсимост от концентрации питательных исщестц

К -11 I.иис рсгсния

и. 5 До»м

г

Количесгно и|х>смогре1шых анафазных пластинок по вариантам контроль - 600 0,5 - 2500 I - 2300 2 - 1600

Цнтогенегичеекий эффект различных концентраций питательных веществ у свободного от вирусной инфекции картофеля в период бутонизации отличается от таковою у зараженных растений. Все концентрации (за исключением 0,5 ПГ1Р) индуцируют одинаковое число нарушений. В то же время их цитогеиетический эффект ниже, чем у больных растений. Повышение концентрации раствора Кнопа до 2 и 4 ППР вдвое увеличило число нарушений хромосом по сравнению с контролем.

В период цветения влияние различных концентраций раствора Кнона на хромосомный аппарат клетки больных растений и здоровых растений такой же, как н в период бутонизации В период увядания цитогеиетический эффект различных доз питательных веществ выражен более отчетливо, чем в предыдущие фазы вегетации.

Таким образом, низкие концентрации питательных веществ вызывают меньший цигогенетический эффект у . оздоровленных растений картофеля по сравнению с инфицированными. Количество множественных разрывов хромосом под действием этих концентраций у здоровых растений меньше. По-видимому, это можно объяснить способностью свободных от вирусной инфекции растений к восстановлению потенциальных разрывов. Высокие концентрации питательных элементов угнетают эту способность. Так, например, известно, что при выращивании картофеля на агрофонах с повышенным содержанием азота и фосфора повышалось содержание продукта перекисного окисления липидов в результате истощения запаса эндогенных антноксидантов (Логинова и др., 1991).

-У4>-

Было интересно выяснить, будет ли изменяться содержание такою сильного антиоксиданта, как аскорбиновая кислота при повышении концентрации питательных веществ. Нами было проведено измерение концентрации аскорбиновой кислоты в зависимости от дозы питательных веществ. При этом использовались такие же концентрации питательных веществ, как и в случае нитогенетических исследований

Таблица 3

Содержание аскорбиновой кислоты в клубнях больных и здоровых растений картофеля в зависимости от доз питательных всшсств.

Вариант опыта

Количество аскорбиновой кислоты (мг%)

оздоровленные растения инфицированные растения

Контроль 28,8 22,8

0,5 ППР 29,3 22,3

1 ППР 25,6 19,8

2 ППР 14.5 11,2 4 ППР 12.1 10,0

Высокие дозы удобрений, по всей видимости, вызывают разрушение редокс-системы аскорбиновой кислоты, снижение восстановительного потенциала клетки, нарушение антирадикальной защиты, что влечет та собой повреждение структуры клеток и увеличивает число хромосомных аберраций. Таким образом, как под влиянием вирусов, так и при действии повышенных доз удобрений происходит нарушение генетического аппарата растений.

В главе "Производство ммииклубнен картофеля в биотехнологической системе" описывается оригинальный метод получения безвирусною посадочного материала картофеля. В лаборатории безвирусных культур ВНИИСБ разработан метод получения 'безвирусных миниклубней картофеля в гидропонной культуре без использования твердых субстратов, характеризующийся высокой эффективностью и технологичностью (Мелик-Саркисов и др., 1990). При выращивании картофеля столь нетрадиционный способом важно подобрать питательный раствор, обеспечивающий максимальную продуктивность растений. Одним из приемов может быть изменение уровня минератьного питания в процессе вегетации, поскольку характер роста

определяется перераспределением пластических веществ в растении. Для каждого растения существует определенный период, когда вся продукция фотосинтеза идет на создание ассимилирующей поверхности, после чего рост, надземной биомассы останавливается и начинается отток ассимилягов в репродуктивные и запасающие органы

В наших исследованиях ставилась цель отработки режима питания картофеля в условиях гидропоники без твердых субстратов; изучения возможности выращивания растений на растворах, включающих технические соли и удобрения, используемые в сельскохозяйственном производстве; поиска факторов, стимулирующих клубнеобразоваиие и обеспечивающих максимальный выход кондиционных мшшклубней.

Объектом служил сорт картофеля "Гатчинский". Безвирусные растения получали методом меристсммых культур. Опыты проводили в закрытом термостатированном помещении с искусственными источниками света Пробирочные растения высаживали в вегетационные сосуды емкостью 5 л, по три растения на сосуд. Увлажняли растения периодическим подтоплением из резервуара (емкостью 10 л) с питательным раствором. Растения выращивали на питательном растворе Кнопа. На этом растворе все растения выращивали в течение 35 суток (до фазы бутонизации) при 18-часовом фотопериоде. После этого длину лня уменьшали до 8 часов и растения переводили на выращивание по схеме опыта со следующими вариантами: 1 - ППР (смесь Кнопа); II - 1/25 ППР; 111 -1/5 ПНР; IV - 1/25 ГШР со смещением перевода на голодный режим питания на одну неделю позже, чем во II варианте; V - 1/25 ГШР + обработка смесью 7 %-ного раствора N114 N0} и 0,01 %-ного раствора 2,4-Д; VI - ППР Чеснокова - Базыриной.

Вариант IV предполагал изучение сроков перевода на голодный режим питания. Вариант VI введен для отработки возможности выращивания картофеля на питательном растворе, включающем технические соли и удобрения, используемые в сельском хозяйстве, каковым и является универсальный раствор Чеснокова - Базыриной (Брызгалов, 1982). Опрыскивание растений смесью 7 %-ного раствора ШЦЪЮз и 0,01%-ного раствора 2,4-Д проводили два раза с интервалом в 7 суток. Первую обработку

-/б-

осуществляли через неделю после перевода растении на 1/25 ПНР, норма расхода смеси составляла около 30 г на растение.

Опыт продолжался в течение четырех месяцев, с март но июль. Миннклубни собирали по мере достижения ими кондиционных размеров (5-7 г). В ходе исследовании не выявлено существенных различий по урожайности при выращивании картофеля на полном питательном растворе Кнопа и Чеснокова - Баэыримой. Мы считаем, что последний предпочтительнее в силу, по крайней мерс, двух причин:

1) Питательный раствор Чеснокова - Базыринон в течение длительного времени сохраняет устойчивый рН 6,8 и высокое содержание фосфора в растворе. 13 смеси Кнопа быстро происходит полшелачивание раствора и связывание фосфатов в труднорастворнмые соединения, что требует постоянного контроля и частой смены раствора;

2) Питательный раствор Чеснокова - Базыринон составлен из широко используемых удобрений и технических солей, в то время как смесь Кнопа требует веществ высокой степени очистки.

Опрыскивание надземной части растений смесью 7 %-ного раствора N11_,М>. и 0,01%-ного раствора 2,4-Д приводило к ускорению образования клубней: последнее отмечалось на третьи-четвертые сутки после обработки. При голодном режиме питания клубни начинали образовываться через две недели после перевода на 1/25 ПНР. Клубнеобразование у растений картофеля, выращиваемых на полном питательном растворе, начиналось почти через месяц после перевода на короткий день. Аналогичным образом вели себя растения в промежуточном варианте с разбавлением раствора в 5 раз.

Таким образом, снижение концентрации питательного раствора в 25 раз и сеникация надземной части растений приводят к индуцированию клубнеобразования, однако в процессе сбора урожая продуктивность таких растений падала весьма значительно по сравнению с таковой растений, выращенных на полном питательном растворе; и суммарный урожай их миниклубией оказывался в 1,5-2 раза ниже.

На основании полученных результатов исследования были продолжены и расширены. Условия проведения эксперимента остались прежними, повторность опыта

пи iикра(пая Схема опьпа нключада следующие варианты: I - ППР Чеснокова -Ьачырнной (пробирочные растения); II - 1/25 I1ИР Чеснокова - Казыринои (пробирочные растения). Ill - ¡/10 Hill' Чсснокона - Ьазыриной (пробирочные растения); IV - 1/25 11111' Чсснокона - Вашрштй t опрыскивание смесью 7 %-ного раствора NH4NO.4 и 0,0!%-/ши> раствора 2.4-Д (пробирочные растения). V - ПНР Чеснокова - 1>азыршюй (раоення и) мипиклубпей из предыдущей вегетации). Последний вариант введен для отработки lexHOJioniH производства миннклубней на гидропонных установках, поскольку нам получения пробирочных растений очень трудоемок, требует больших :taipar, и исключение ею in 1схнологнчсского процесса дает большую экономию.

Перевод растении на короткий день и схему опыта осуществляли, как и в предыдущем эксперименте, н фазу буюннзации, через 35 суток после высадки растений в сосуды Продолжительность опыта 3 месяца. Опрыскивание надземной части растений смесью раствором селитры и 2,4-Д проводили 3 раза с интервалом в 7 суток, первая обработка - черсч педелю после перевода на 1/25 ППР. Перед переводом на схему опыта измеряли видимый газообмен растений и содержание пигментов в листьях;

Итмереннс видимого газообмена растений перед переводом их на схему опыта показало высокую интенсивность фотосинтеза. Через неделю после перевода на 1/25 ППР интенсивность фоюеинтеза оставалась на том же достаточно высоком уровне, а у раactum ни 1/10 ППР даже возросла В течение следующей недели интенсивность фотосинтеза снизилась но всех вариантах, однако наиболее высокой она была в варианте с 1/25 ПНР. Интенсивность дыхания заметно упала во всех вариантах опыта, но самой высокой была в варианте с опрыскиванием (при наиболее низкой интенсивности фотосинтеза) В течение последующего периода наблюдений не прослеживалось существенных различий в показателях интенсивности фотосинтеза и дыхания растений, выращиваемых на полных и разбавленных растворах. Следует, однако, отметить, возрастание интенсивности фотосинтеза в варианте с опрыскиванием. Это объясняется тем, что обработка растений смесью растворов селитры и 2,4-Д вызывала повреждение точек роста (что влекло за собой падение интенсивности фотосинтеза) и стимулировала рост боковых побегов, которые после разрастания и обеспечивали повышение уровня фотосинтеза.

Выращивание растений картофеля на сильно разбавленных (и 25 pa t) рас шорах способствовало более быстрому разрушению тнмеигон. ОбраСмика растении смесью 7%-ного раствора NII4NO) и 0.01 %-ного раствора 2.4-Д задерживала нот нежелательный процесс. Скорость разрушения пигментов в лиаьях я варилиie с 1/10 ППР не отличалась от таковой в нариаше с 11)11'. го ecu. происходило снижение содержания пигментов в процессе естественного оарсния рас гений.

Растения, выращенные на нолиом питательном растворе, имели наибольшую надземную биомассу; растения, выращенные на 1/25 ПИР, - наименьшую. Хотя размер вегетативной части растений и не являлся прямым показателем продуктивное»), а зачастую слишком сильное развитие надземной биомассы приводит к уменьшению полезной части урожая, тем не менее, можно считать, что растения, выращенные на 1/25 ППР. страдали от недостатка питания, поскольку соотношение между вегетативной массой и массой клубней у них сдвинуто в сторону надземной части. В расленнях же вариантов Ш1Р и 1/10 ППР. хотя масса надземной части н больше в 1,5-2 раза, по соотношение ботва/клубни самое низкое, то есть зги варианты обеспечивают наибольшую продуктивность растений.

Содержание сухого вещества было выше и клубнях растений картофеля, выращенных на разбавленных растворах. Это вполне закономерно, так как при голодном питании происходит более интенсивный отток метаболитов m листьев в клубни. Однако это не повлияло на конечную урожайность картофеля.

Результаты опыта показали, что разбавление питательного раствора в 25 раз не вызывало ускорения клубнеобразопания. Начало образования клубней по времени было одинаковым во всех вариантах (через 80-90 суток после посадки) Наибольший урожай миниклубнеп, как по количеству, так и по суммарной массе, получен в вариантах с ППР и 1/10 ППР. Самый низкий урожаи получен на 1/25 ПНР. Опрыскивание растений смесью растворов селитры и 2,4-Д способствовало увеличению сбора миниклубней в весьма незначительной мере.

Растения картофеля, выращиваемые на ППР, анализировали па содержание в них азота, фосфора и калия (табл. 4).

-J9-

Таблица 4

Динамика роем и содержания а ют а, фосфора и кадия н органах растений картофеля сорта "1 атчннский", вы ращенных и условиях гидропоники (точность опыта 2,7 %)

Период Орган Сирии : Сухой : % сухого : Содержание М'К (мг/100 г)

наблюдения : растения : вес(г) : всс(г) : вещества N : Р К

20.0.1 листья 12,1 1.2 9,9 7,1 0,35 7,3

С! сгсбли 5.6 0.4 7.1 3,8 0,27 4.3

НИ «КИИ

05.04 листья 31,1 4,6 13,9 6,0 0,50 11,5

(бутони- стебли 28,2 2,7 9,6 3,6 0,44 11,0

зация)

17.04 листья 56,8 7,0 12,3 0,55 9,1 0,45

(цветение) стебли 47,3 3,8 8.0 0,51 13,1 0,12

клубни 59,6 8,2 13.8 2,9 0,82 3,9

07.06 листья 68,8 5,6 8.2 6.3 0,40 8,3

(уборка) сгсбли 62.8 4,0 6,4 3,0 0.57 11,3

клубни 95.4 15,1 15,8 2,0 , 0,8 3,6

Ан&тнз результатов наших исследований покатывает, ч+о растения, выращенные в условиях гидропоники, содержат больше сухих веществ по сравнению с картофелем, прошрастающим в естественных условиях. Содержание в них азота больше в 1,5 раза, а калия - в 1,5-2 раза. До фазы цветения количество фосфора в гидропонных растениях также выше, но впоследствии оно снижается по сравнению с полевыми растениями.

Таблица 5

Соотношение ИРК. в листьях растений картофеля сорта "Гатчинский", выращенного в условиях гидропоники

Период наблюдения : Соотношение N : Р: К

проценты : доли

До бутонизации 48,1 : 2,4 : 49,5 20 : 1 : 20,6

Бутонизация 33,3 : 2,8 : 63,9 11,9: 1 : 22,8

Цветение 39,9: 3,4: 56,7 11,7: 1 : 16,7

Уборка 42,0: : 2,7 : 55,3 15,5 : 1 : 20,5

Данные таблицы 5 показывают явное преобладание калия в балансе

питательных веществ растений гидропонного картофеля (оптимальное соотношение, по литературным данным, составляет 48 : 6,5 : 45,5). Причем, если по азоту наблюдается

умеренное занижение, то количество фосфора в балансе занижено в 2-2,5 раза Видимо, здесь сказываются условия искусственного выращиваиня растений (освещения, влажности, температуры).

Что касается миниклубней, выращенных на гидропонике, то они содержат меньше сухих веществ по сравнению с клубнями, полученными в естественных условиях выращивания (15,8% и 18,3%, соответственно), меньше витамина С (7,2 мг% и 12,4 мг%). 13 них содержится несколько больше белка и меньше нитратов. Помимо различий в биохимическом составе, гидропонные мимиклубни отличаются также анатомическими особенностями: более рыхлой паренхимой, неравномерной толщиной перидермы.

Таким образом, для выращивания безвирусных семенных миниклубней картофеля в закрытых помещениях в гидропонной культуре без твердого субсграта может быть рекомендован питательный раствор Чеспокова-Базырипой, включающий технические соли и удобрения, применяемые в сельскохозяйственном производстве. В условиях закрытых помещений при искусственном освещении снижение концентрации питательного раствора в 25 раз (1/25 ПГТР) не приводит к эффективному ускорению клубнеобразования и увеличению продуктивной части урожая. Хотя поверхностная обработка листьев картофеля, выращиваемого на 1/25 ПНР, смесью 7%-ного раствора NII.4NO3 и 0,01%-ного раствора 2,4-Д и способствует сохранению фотосинтезирующего аппарата голодающих растений, однако интенсивность фотосинтеза повышается, в основном, за счет возобновления роста вегетативной части из боковых побегов. Урожай миниклубней при этом увеличивается незначительно. У растений картофеля, выращиваемых на ППР и на 1/10 ППР, повышается отношение массы клубней к массе ботвы и общий сбор клубней как в количественном, гак и в весовом выражении. Общая продуктивность растений по массе клубней при разбавлении питательного раствора до 1/10 ППР незначительно понижается, а при дальнейшем разбавлении (1/25 ПИР) резко падает. В связи с этим можно рекомендовать выращивание картофеля на полном питательном растворе в течение всего вегетационного периода при периодической коррекции или смене питательного раствора с учетом естественного снижения его концентрации.

имподы

1, Наличие или отсутc'iвис вирусов и растении обусловливает различии в основных морфологических к фи'««»логических параметрах этих растений: фотосинтезе и дыхании, потреблении и использовании основных питательных веществ, габитусе куста, наступлении фепофаз и, как результат, урожайности.

2 Содержание азота и калим в растениях, свободных от вирусной инфекции, в течение всего периода вегетации меньше, чем в инфицированных; в то же время содержание фосфора практически не различается.

3 Общий вынос элементов минерального питания оздоровленными растениями к концу вегетации превышал этот показатель у инфицированных растений - по азоту в 1,50 раза, по калию в 1,83 paia, но фосфору в 1,65 раза в результате увеличения биомассы и урожая клубней.

4. Растения, свободные от вирусной инфекции, более отзывчивы к уровню минерального питания, особенно в период их наибольшего потребления (фазы всходов -бутонизации). £3 этот период потребление азота у них в 1,35 , фосфора в 2,60 и калия в 2,20 раза выше, чем у инфицированных. При равном с инфицированными растениями урожае здоровые растения потребляют в 1,5 раза меньше питательных веществ.

5 При различных уровнях минерального питания (0,5; I; 2 и 4 дозы полного питательного раствора) у оздоровленных растений общая биомасса, абсолютная доля клубней а относительная продуктивность выше при всех концентрациях питательного раствора Наибольший выход клубней и оптимальное потребление и распределение по органам растений элементов минерального питания достигается при использовании двойной дозы питательных веществ.

6. Повышение концентрации питательных веществ в 2 и 4 раза по сравнению с одинарной дозой полного питательного раствора увеличивает у инфицированных растений количество хромосомных нарушений (на 28,0% и 30,5%, соответственно), угнетает митотическую активность, что приводит к цитогенетическим изменениям. Частота возникновения таких же нарушений у оздоровленных растений картофеля в среднем в 1,5 раза ниже.

-гг-

7. Посадочный материал, получаемый » гидропонной установке, существенно отличается от посадочного материала, получаемого традиционным методом. Растеши картофеля, выращенные в условиях гидропоники, содержат больше сухих веществ. Содержание азота в них больше в 1,5 раза, а калия - в 1,5-2 раза. Соотношение N1' К. у таких растений в фазу бутонизации - цветения составляет 36.5:3,1.60,3 (при оптимальном соотношении 48:6,5:45,5). В балансе питательных веществ отмечае1ся явное преобладание калия; по азоту отмечается умеренное занижение; количество фосфора в балансе занижено в 2-2,5 раза. 'По-видимому, это результат выращивания растений в искусственных условиях.

8. Миииклубни, полученные в гидропонной установке, содержат на 3,5% меньше сухих веществ. Содержание общего азота больше п 1,4 раза, калия - в 1,2 раза, содержание фосфора меньше в 2,0 раза.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВУ

При получении семенных миниклубней картофеля по технологии, разработанной в лаборатории безвирусных культур института сельскохозяйственной биотехнологии РАСХН, в условиях проточной гидропоники рекомендуется использовать питательный раствор Чеснокова-Базыриной, составленный из широко используемых удобрений и технических солеи, в то время как многие другие питательные смеси (в част ности, смесь Кнопа) требуют веществ высокой степени очистки. Раствор Чеснокова-Базыриной в течение длительного времени сохраняет устойчивый рН 6,8, благоприятный для роста растений, и высокое содержание фосфора в растворе, что снимает геобходимость постоянного контроля и частой смены раствора.

При выращивании картофеля, свободного от вирусных инфекций, следует учитывать то обстоятельство, что здоровые растения требуют в 1,3-1,5 раза больше азота ц фосфора и в 1,7-2,0 раза калия для обеспечения наивысшей продуктивности, однако превышение нормы питательных веществ более, чем в 2 раза, ведет к нарушениям в генетическом аппарате растений и потере сортовых качеств.

Ilo материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1 Особенности минерального питания инфицированных вирусами и свободных от вирусной инфекции растении картофеля / Стороженко В.А., Рашкович HJ1., Мартиросян 10 Ц, Мелнк-Саркисов О С., Ракшюа Н.Г., Дроздова Н С. - М., 1993. -16 с. Рукопись деп. в ВИНИТИ. 1993, N 2456-1393.

2 Потребление питательных веществ инфицированными и свободными от вирусной инфекции растениями карюфеля / Мартиросян Ю.Ц., Рашкович ПЛ., Мелик-Саркнсов О С., Стороженко U.A., Чернобровкина М А. // Изв ТСХА. - 1993. - Вып 2. -

3. Особенности потребления минеральных веществ инфицированными и оздоровленными от вирусов растениями картофеля при разном уровне минерального питания / Рашкович П Л., Мартиросян 10.Ц., Мелик-Саркисов О.С., Стороженко В.А., Чернобровкина М.А. //Изв. ТСХА. -1993. - Вьш.З.-С.П9-126.

4 Особенности потребления нитратного азота инфицированными и оздоровленными растениями картофеля / Рашкович П Л., Мартиросян Ю.Ц., Стороженко П.А., Мелнк-Саркисов О С. //Изв. ТСХА. -1993. - Вып.4.-С. 196-200.

5. Особенности выращивания миниклубней картофеля в биотехнологической системе / Чернобровкина М.А., Чернобровкии С Л., Мартиросян Ю.Ц., Розанов В.В., Мелик-Саркисов О С. // С.-х. биология. - 1994. - N3. - С.65-72.

6. Мартиросян Ю.Ц., Чернобровкина М.А., Чережанова Л.В. Сравнительное исследование цитогенегического эффекта высоких доз минеральных удобрений на инфицированные и свободные от вирусной инфекции растения картофеля // Актуальные проблемы биотехнологии в растениеводстве, животноводстве и ветеринарии. - М., 1996.

С.208-213.

- С.50.