Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Продуктивный, фотосинтетический и адаптивный потенциал сортов сои северного экотипа и его реализация в условиях Центрально-Черноземного региона России

ВАК РФ 03.01.05, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Продуктивный, фотосинтетический и адаптивный потенциал сортов сои северного экотипа и его реализация в условиях Центрально-Черноземного региона России"

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВ ИВАН ИВАНОВИЧ

ПРОДУКТИВНЫМ, ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИИ и АДАПТИВНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ СОРТОВ СОИ СЕВЕРНОГО ЭКОТИПА И ЕГО РЕАЛИЗАЦИЯ В УСЛОВИЯХ ЦЕНТРАЛЬНО-ЧЕРНОЗЕМНОГО РЕГИОНА РОССИИ

03.01.05. - физиология и биохимия растений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

3 МАП 20(2

Орёл-2012

м*

005016333

Диссертационная работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет»

Защита диссертации состоится 24 мая 2012 года в 14:30 на заседании Диссертационного совета ДМ 220.052.01 в Орловском государственном аграрном университете по адресу: г. Орёл, ул. Генерала Родина, д. 69.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки Орёл ГАУ (г. Орёл, бульвар Победы, д. 19)

Автореферат разослан 24 апреля 2012 года и размещен на официальном сайте ФГБОУ ВПО «Орловский государственный аграрный университет» http://www.orelsau.ru и на сайте ВАК при Минобрнауки РФ http://www.vak.ed.gov.ru.

Просим прислать отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, ученому секретарю диссертационного совета ДМ 220.052.01 Факс: 8(4862) 43-13-01, e-mail dissovet-orelsau@vandex.ru.

Научный руководитель доктор сельскохозяйственных наук,

профессор ФГБОУ ВПО Орел ГАУ Амелин Александр Васильевич Официальные оппоненты доктор биологических наук, профессор

зав. кафедрвк ботаники ФГБОУ ВПО «Орловский государственный

университет»

Лузина Тамара Ивановна

кандидат сельскохозяйственных наук, зав. лабораторией физиологии и биохимии растений ГНУ ВНИИ ЗБК Бобков Сергей Васильевич Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Брянская

государственная сельскохозяйственная академия»

Ученый секретарь диссертационного совета доктор сельскохозяйственных наук^

профессор / -) Л.П. Степанова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Средний уровень прибыли, полученной в США за последние 30-50 лет от внедрения новых сортов пшеницы, кукурузы, сорго, хлопка и сои равен 1% в год, а их вклад в урожай составляет более 50% (Созинов, 1988; Жученко, 1990; Шевелуха, 1993).

Однако потенциальная продуктивность сельскохозяйственных растений в настоящее время реализуется не более чем на 20-30% по причине низкой устойчивости возделываемых сортов и гибридов к биотическим и абиотическим факторам среды, наряду с неоптимальными условиями культивирования (Молчан и др., 1996; Жученко, 2008). Поэтому требуются сорта нового поколения, формирующие не только высокий, но стабильный и качественный урожай. Их создание невозможно без использования физиологических знаний по таким вопросам как рост и развитие, фотосинтез, устойчивость (Физиологические основы селекции растений / Под ред. Удовенко В.Г. и Шевелухи B.C., 1995).

Весьма актуально это и для сои, особенно в связи с созданием сортов северного экотипа, так как эффективность их возделывания пока остается низкой. В данном случае необходимы комплексные физиологические исследования биологического потенциала растений и выявление эффективных путей его реализации средствами селекции.

Цель исследований - определить продуктивные, фотосинтетические и адаптивные возможности растений сои северного экотипа и обосновать их параметры у перспективного сорта для условий Центрально- Черноземного региона России.

Задачи исследований: -изучить особенности роста и развития сортов сои; -выявить морфологические особенности их растений; -установить сортовые различия по фотосинтетической деятельности растений;

-определить потенциальную, максимально возможную и фактическую урожайность семян у сортов сои в условиях региона;

-обосновать перспективные пути совершенствования сортов сои северного экотипа для условий ЦентральноЧерноземного региона России;

-выявить источники высокой активности фотосинтетической деятельности для использования в селекции культуры.

Научная новизна, впервые" изучен продуктивный, адаптивный и фотосинтетический потенциал сортов сои северного экотипа в условиях Центрально-Черноземного региона России; определены степень и характер влияния на реализацию биологического потенциала сортовых особенностей растений, агроценотических, природно-климатических и погодных условий произрастания; выявлены особенности начального роста стебля и корня у 7, 14 и 21 суточных проростков и их влияние на последующее развитие растений; показан характер накопления и распределения сухой массы по органам растений; в полевых условиях на интактных растениях в режиме реального времени впервые изучена активность световых (квантовый выход разделения зарядов в фотосистеме II) и темновых реакций фотосинтеза (интенсивность фотосинтеза) сортов сои северного экотипа; выявлена зависимость интенсивности фотосинтеза от водного и температурного режима, освещенности растений и концентрации С02 в воздухе.

Практическая значимость работы. Установлена потенциальная (6,11 т/га), максимально возможная (4,99т/га) и фактическая (3,19т/га) урожайность семян у сортов сои северного экотипа в условиях Центрально-Черноземного региона России. На основе морфофизиологического и биохимического анализа выделены наиболее эффективные для возделывания в регионе сорта Свапа и Окская, а с учетом генотипических особенностей их растений определены и обоснованы оптимальные параметры у перспективного сорта, как цели селекции. Проведена оценка 24 коллекционных образцов сои ВНИИЗБК, в результате которой для селекции культуры предложены источники высокой активности фотосинтетической деятельности (сорта Светлая, Касатка, Малетка).

Апробация работы. Материалы диссертации представлены и доложены на: Первом Всероссийском молодежном инновационном конвенте (Москва, 2008); Втором Всероссийском молодежном инновационном конвенте (Санкт-Петербург, 2009); региональной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Неделя науки» Орел ГАУ (Орёл, 2010); Всероссийской конференции «Современные аспекты структурно-функциональной биологии растений и грибов» (Орёл, 2010); втором этапе Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых аграрных вузов Центрального федерального округа в номинации «Сельскохозяйственные науки» (Курск, 2011); на третьем финальном этапе Всероссийского конкурса

на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых аграрных вузов Центрального федерального округа в номинации «Сельскохозяйственные науки» (Орёл, 2011); Конкурсе Департамента образования, культуры и спорта Орловской области «Лучшая научно-исследовательская работа молодых ученых 2011» (Орёл, 2011).

Публикация результатов исследований. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе в рекомендованных изданиях ВАК Минобразования РФ - 3.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 151 страницах. Включает в себя: обзор литературы, экспериментальную часть из 4 глав, заключение, выводы, предложения по использованию результатов исследования, список литературы и приложения. В работе содержится 37 таблиц, 36 рисунков. Список литературы включает 246 литературных источников, из которых 29 на иностранных языках.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю доктору сельскохозяйственных наук Амелину Александру Васильевичу за всестороннюю методическую помощь и научные консультации по работе; коллективам ЦКП «Генетические ресурсы растений и их использование» и отдела Проблемных исследований сельского хозяйства Орел ГАУ, а таюке ведущему научному сотруднику лаборатории селекции зернобобовых культур ВНИИ ЗБК Зайцеву Валентину Николаевичу, за содействие в подборе опытного материала и проведении оценки коллекционных образцов в селекционном севообороте.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Проведен всесторонний анализ научных данных по вопросам хозяйственной значимости культуры сои, ее биологических и морфо физиологических особенностей, роли физиологии растений в создании новых сортов.

2. ОПЫТНЫЙ МАТЕРИАЛ, МЕТОДИКА И УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования были проведены в рамках тематического плана кафедры растениеводства и Центра коллективного пользования Орел ГАУ «Генетические ресурсы растений и их использование» в соответствии с заданием Минсельхоза РФ «Разработка физиологических способов и методов селекции зернобобовых и крупяных культур на основе инновационных технологий».

Опытный материал выращивали в условиях полевого опыта на делянках, площадью 10 м2 в 4-х кратной повторности при норме высева 0,6 млн. шт./га, размещение делянок - рендомизированное. Тип почв опытного участка - серые лесные, среднесуглинистые по механическому составу.

Для выявления потенциальных возможностей продукционного процесса изучаемых сортов сои были устранены ценотическое взаимодействие растений (на 1 м2 их располагалось по 5 штук) и влияние на них сорняков, вредителей и болезней.

Объектами исследований являлись 8 сортов сои северного экотипа: Белгородская 48, Воронежская 31 (сорта белгородской и воронежской селекции); Ланцетная, Свапа (сорта орловской селекции); Магева, Окская (сорта - рязанской селекции); Припять, Ясельда (сорта белорусской селекции). Кроме того была проведена оценка световых и темновых реакций фотосинтеза у 24 коллекционных образцов сои ВНИИ ЗБК.

Чистую продуктивность фотосинтеза (ЧПФ) и фотосинтетический потенциал (ФП) учитывали по методике, предложенной Ничипоровичем с сотрудниками (1961). Активность световых и темновых реакций фотосинтеза определяли в режиме реального времени в полевых условиях на интактных растениях, используя прибор mini-PAM (Bilger, Schreiber, Bock, 1995) фирмы Walz и партотивный газоанализатор LI-6400 фирмы LI-COR. Площадь листьев учитывали весовым методом (Корнилов, 1971) с помощью фотопланиметра LI-3000C (фирма LI-COR). Содержание хлорофилла и каратиноидов определяли по методике, предложенной под ред. Третьякова (1982), применяя спектрофотометр СФ-2000. Дисперсионный и корреляционный анализы проводили согласно «Методика полевого опыта» (Доспехов, 1979) с использованием персонального компьютера.

Годы исследований по условиям вегетации растений существенно различались между собой. В 2009 и 2011 годах погодные условия по увлажнению и температурному режиму в целом отвечали биологическим требованиям культуры сои (ГТК составлял 1,19 ), а в 2010 году были для нее экстремальными - в период формирования генеративных органов отмечалась выраженная засуха (ГТК составлял 0,50).

3. ОСОБЕННОСТИ РОСТА И РАЗВИТИЯ РАСТЕННИЙ У СОРТОВ СОИ СЕВЕРНОГО ЭКОТИПА

Показано, что интенсивность начального линейного роста корешка у проростков сои в первые десять дней развития почти в 2 раза превышает росток. Но затем характер роста существенно меняется: на 21 день развития интенсивность линейного роста корешка бьша_на 61% меньше,_____чем__ростка____(рис.! ).

7 сутки 14 сутки 21 сутки

______"О - корешок —О— стебелек

Рисунок 1. - Интенсивность начального линейного роста корешка и ростка у проростков сои, среднее по 2-м сериям лабораторных

опытов

В первые 14 суток наиболее активно проростки развивались у сортов орловской и белорусской селекции (табл. 1). В результате они имели самую большую длину стебля (в среднем 18,9см) и корня (14,8см).

Таблица 1 - Длина корня и ростка (см) у проростков

разных сортов сои, среднее по 2 -м сериям лабораторных опытов

Сорта Время учета

7-е сутки 14-е сутки 21-е сутки зеленая спелость бобов

корешок росток корешок росток корешок росток стебель

белгородской и воронежской селекции

Белгородская 48 4,3 2,9 13,2 16,7 17,0 29,7 79

Воронежская 31 4,8 3,0 14,1 17,5 19,8 32,1 94

орловской селекции

Ланцетная 5,5 2,9 14,2 18,7 18,3 22,6 77

Свапа 4,8 3,2 15,4 19,1 19,8 29,5 90

рязанской селекции

Магева 3,8 2,5 12,6 17,5 19,5 26,4 75

Окская 4,1 2,7 12,8 16,7 18,5 22,3 87

белорусской селекции

Ясельда 5,1 3,1 14,9 19,0 18,9 24,8 85

Припять 4,1 2,8 13,7 17,0 16,2 27,5 79

НСР01 0,29 0,21 0,49 0,21 1,05 2,41 5,3

В дальнейшие периоды развития растений лидерство принадлежало сортам белгородской и воронежской селекции, которые во время цветения по длине стебля превосходили орловские сорта в среднем на 31%, рязанские - на 16%, а белорусские - на 13%, хотя в фазу зеленой спелости бобов их преимущества были существенно ниже.

Однако, по накоплению сухого вещества сортовые различия проявлялись по другому: на 7 сутки развития проростков интенсивность накопления сухого вещества стеблем у сортов белорусской селекции составляла 34мг/сутки, тогда как у сортов орловской, рязанской, белгородской и воронежской селекции ее величина была в среднем на 20% меньше. В результате сухая масса ростков у белорусских сортов достигала 0,24г, а у других- 0,18г.

В последующие две недели устойчивое лидерство уже принадлежало сортам рязанской селекции. По величине сухой массы ростков на 21 сутки они превосходили белгородские и воронежские сорта в среднем на 16%, орловские - на 25%, а белорусские - на 26%.

А в фазу зеленой спелости бобов наибольшим значением этого показателя уже отличались белгородские и воронежские сорта. Величина надземной сухой массы их растений формировалась в среднем на 43% больше по сравнению с другими сортами. При этом самой большой долей сухой массы бобов в целом растении характеризовались сорта белорусской и рязанской селекции (рис. 2)

100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

10 9,2 1 ,4 j 1 «ЛЬ

22,4 т

ZM.I Л

18,6 is.'>

1У.2 1-.Ч j

-Р О 42,0 53,6 54.4

———1— ___

органы растений

□ черешки

Белгородские и Орловские Рязанские Белорусские Воронежские

сорта

й бобы

Рисунок 2. - Процентное соотношение массы различных органов растений у сортов сои в фазу зеленой спелости, в среднем за 2009-20! 1гг.

Накопление большого количества сухой массы органами растений сои в значительной степени было обусловлено

продолжительностью их вегетации, которая составляла в годы исследований в среднем 115 дней. Наибольшим вегетациионным периодом характеризовались белгородские, воронежские (122 дней) и белорусские (118 дней) сорта, а наименьшим - орловские (114 дней) и рязанские (107 дней). В результате последние достигали уборочной спелости в конце августа и начале сентября, тогда как белорусские, белгородские и воронежские - лишь к середине или концу сентября, что не отвечает основным требованиям производства и эффективного использования биоклиматических ресурсов Орловской области, где наиболее высокая ФАР и тепло отмечаются в июне-июле месяцах.

4. ОСОБЕННОСТИ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ СОРТОВ СОИ СЕВЕРНОГО ЭКОТИПА По результатам проведенных исследований, наиболее мощная площадь листьев (4296см2) формируется позднеспелыми более высокорослыми сортами белгородской и воронежской селекции. В фазу налива семян их преимущество по этому показателю над другими сортами составляло в среднем 67%. Больше всего они превосходили сорта рязанской селекции (в среднем на 98%), а затем орловской и белорусской селекции - (на 57 и 53%, соответственно), что было обусловлено, главным образом, формированием у растений большего количества листовых пластинок. В результате и ФП их растений был выше в среднем в 1,7 раза (табл.2).

Таблица 2 - Структура листовой поверхности растений у сортов сои в фазу зеленой спелости бобов, в среднем за 2009-2011гг.

Сорта Количество листьев, штук Средняя площадь одного листа с растения, см2 Площадь листьев с одного растения, см2 ФП, м2*сутки/раст УПП, г/дм2

Белгородской и Воронежской селекции

Белгородская-4 8 74 56,0 4145 46,0 0,79

Воронежская-31 88 50,5 4448 47,5 0,83

Орловской селекции

Ланцетная 54 44,3 2392 23,6 0,55

Свала 58 53,5 3103 28,5 0,75

Рязанской селекции

Магева 49 46,5 2281 21,4 0,58

Окская 54 52,1 2817 30,7 0,55

Белорусской селекции

Ясельда 56 45,7 2558 30,4 0,83

Припять 53 54,7 2901 25,5 0,65

НСРо5 3,4 1,3 463 0,6 0,03

УПП листье у сортов сои находилась в годы исследований в диапазоне 0,46-0,81 г/дм2, что в целом соответствует оптимальной

величине данного показателя у перспективного сорта культуры (Алиев, 1995).

Белгородские и воронежские сорта формировали хотя большую, но менее активную листовую поверхность. По величине ЧПФ в период генеративного развития они уступали рязанским и орловским сортам в среднем на 21%, а белорусским на 7%. Проявляется четко выраженная отрицательная связь, чем больше у сорта формируется ФП, тем меньше его фотосинтетическая активность, и наоборот (рис. 3). Коэффициент корреляции между данными показателями составлял в годы исследований -0,58.

«<Г'П СЭ ЧПФ

Рисунок 3. - Значение ФП и ЧПФ у сортов сои в фазу зеленой спелости бобов, в среднем за 2009-2011гг.

Показано, что наиболее эффективно фотосистема II листьев сои работает в период налива семян. Из изученных сортов культуры самыми высокими значениями этого показателя в период генеративного развития характеризовались, прежде всего, рязанские сорта, а потом белорусские. Сорта белгородской, воронежской и орловской селекции в данном случае занимали промежуточное положение (рис. _______________

о 0,75

...

0,65 * ^ * * 8 ' А

со

0,55 0,45 , м» «ч*

со р

СЗ

э 0,35

фаза цветение плоский боб сорта налив семян зеленая спелость

•^игзави» Белгородской и Воронежской селекции Орловской селекции

» « Рязанской селекции ««»* Белорусской селекции

Рисунок 4. - Эффективность квантового выхода света в фотосистеме II листьев сои в разные фазы роста и развития, в среднем за 2009-2011 гг.

Содержание же хлорофиллов а+в в листьях сортов сои существенного влияния на световую фазу фотосинтеза не оказывало. К примеру, во время образования у растений плоского боба эффективность квантового выхода в ФСП у листьев всех сортов культуры находилось фактически на одном уровне - 0,55-0,57, тогда как содержание хлорофилла в сухой их массе было существенно различным (рис. 5).

юквфсн а хл ! :

': сорта

Рисунок. 5- Значение квантового выхода в фотосистеме II и содержание хлорофилла «а+в» в листьях сортов сои в фазу плоского боба,

по данным 2009-2011гг.

С началом налива семян содержание пигментов у сортов сои резко убывает и к фазе зеленой спелости бобов становится в 1,6 раза меньше по сравнению с фазой плоского боба. При этом отношение хлорофилла «а» к «в» меняется от 8,1до 10,5.(табл. 4).

Таблица 4 - Содержание различных пигментов (мг/г сухого вещества) в листьях сортов сои, среднее за 2009-2011г._

Пигменты

Сорта Хла Хл Ь каротиноиды

плоский налив плоский налив плоский налив

боб семян боб семян боб семян

белгородской и воронежской селекции

Белгородская 48 6,92 2,35 0,96 0,39 3,91 1,89

Воронежская 31 10,69 2,44 0,59 0,44 2,23 1,89

орловской селекции

Ланцетная 3,81 7,38 0,77 0,33 2,05 3,16

Свала 11,66 2,68 0,38 0,54 2,50 1,91

рязанской селекции

Магева 9,55 9.42 1,09 0,66 2,88 2,48

Окская 7,71 10,13 0,96 0,81 3,04 2,82

белорусской селекции

Ясельда 11,02 4,89 2,37 0,56 1,87 2,44

Припять 8,55 5,59 1,55 0,57 2.26 3,31

НСР», 0,56 0,28 0,06 0,03 0,16 0,12

Содержание каротиноидов в листьях сортов сои в фазу плоского боба на 32%, а в период налива семян на 20% меньше, по сравнению с хлорофиллом «а+в». Но в отличие от хлорофилла, его

количество в листьях в период налива семян фактически не изменяется - снижение составляло всего 3,9%. Наибольшее количество каротиноидов в период налива семян содержали листья белорусских и рязанских сортов, отличающиеся и самой высокой эффективностью усвоения квантов света.

По ИФ самые существенные генотипические различия отмечались в фазу плоского боба. Наиболее активно протекал газообмен в это время у рязанских сортов, которые по величине данного показателя превосходили сорта белорусской селекции в среднем на 7%, орловской - на 15%, белгородской и воронежской селекции на 21% (рис. 6).

17

*

.2 14,5

О

I ) 1?.

с;

> 9,5

=1

7

А». » * штт- Ш х-,.

01

цветение

"(раза плоский боб

Сорта

Белгородской и Воронежской селекции * ¿V' ■' Рязанской селекции _ ______ *

налив семян зеленая спелость

ям Орловской селекции

Белорусской селекции__

Рисунок 6. - Интенсивность фотосинтеза у различных групп сортов сои по фазам роста и развития, 2009-2011 год

При этом связь ИФ с эффективностью усвоения квантов света в фотосистеме II была незначительной (г=+0,51), а с транспирацией высокая (г=+0,98).

гение плоский боб

Интенсивность фотосинтеза

цмольСОг/м2*с

^раза""

налив семян

зеленая спелость

Интенсивность транспираиии

ммольН,0/м2*с

Рисунок. 7 - Интенсивность фотосинтеза и транспирации листьев растений сои в разные фазы роста и развития, в среднем за 2009-2011 гг.

Однако для эффективного продукционного процесса важно, чтобы высокая интенсивность фотосинтеза достигалась при более низкой транспирации. С учетом этого в 2011 году была проведена оценка 24 коллекционных образцов культуры, в результате которой с такими свойствами выделены сорта Светлая, Касатка, Малетка,

рекомендованные для использования в селекции на высокую фотосинтетическую продуктивность (рис. 8).

I _____________________• ■ итр. ]

18 т т 12

15 12 9 6 3

Рисунок 8. - Интенсивность фотосинтеза и транспирации у коллекционных сортов сои

5. ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ И ФАКТИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОДУКЦИОННОГО ПРОЦЕССА СОРТОВ СОИ СЕВЕРНОГО

ЭКОТИПА

По результатам проведенных исследований, наиболее высокий потенциал семяобразования имеют сорта орловской, белгородской и воронежской селекции. В годы исследований у их растений формировалось в среднем 133 семязачатка. Сорта рязанской и белорусской селекции по данному показателю существенно им уступали - в среднем на 35%. Однако, в условиях ЦентральноЧерноземного региона России семенная продуктивность у одиночно растущих растений сои была в среднем на 19% ниже их биологического потенциала и составляла: у белгородских и воронежских у сортов 18,1 г; орловских - 12,5г; рязанских и белорусских - 10,5 и 8,8г, соответственно.

Это позволило заключить, что потенциальная урожайность семян у сортов сои северного экотипа находится в среднем на уровне 6,1т, а максимально возможная в условиях Центрально-Черноземного региона России -4,99 т на га (рис. 9).

т/га

10 8 6 4

2 О

-8,83-

□ потенциальная урожайность семян

^ максимально возможная урожайность семян в условиях региона 88 фактическая у рожайность семян в условиях агроценоза

ТЛ-

"6,21

5Д2-

|3,21

Г .

ш

3,52

2,23

Белгородские и Орловские Рязанские Белорусские

Воронежские сорта

Рисунок 9. - Потенциальная, максимально возможная и фактическая урожайность семян у сортов сои в условиях Центрально-Черноземного региона России

Фактическая же величина урожайности семян у сортов сои даже в годы с благоприятными погодными условиями достигала лишь 3,2т/га, что на 36% меньше максимально возможного в регионе.

Высокие урожайные свойства сортов белгородской и воронежской селекции объясняются, прежде всего, формированием у них большого количества семян вследствие низкой абортивности семязачатков, которая составляла в среднем 13%, тогда как у сортов рязанской, белорусской и орловской селекции ее величина была в среднем на 4% больше (табл. 5).

Таблица 5 - Величина элементов семенной продуктивности

у опытных сортов сои, в среднем за 2009-2011 гг.

Сорта В среднем на растение, число Мюоо семян, г Семенная продуктивность, г/раст.

бобов семян семян в бобе

Белгородской и Воронежской селекции

Белгородская 48 68 115 1,7 182 20,92

Воронежская 3] 43 11] 2,6 155 17,21

Орловской селекции

Ланцетная 35 101 2,9 115 11,63

Свапа 66 118 1,8 114 13,42

Рязанской селекции

Магева 24 60 2,5 135 8,12

Окская 41 98 2,4 134 13,1

Белорусской селекции

Ясельда 29 49 1,7 145 7,12

Припять 48 76 1,6 140 10,63

НСРоз 1,55 5,9 0,1 4,8 0,59

В результате эффективность семяобразования в годы исследований составляла: у белгородских и воронежских сортов 86%, а у орловских, рязанских и белорусских - 82%. Среди белгородских и воронежских сортов наиболее высокой эффективностью семяобразования отличался сорт Белгородская 48 (87,3%), у орловских - Ланцетная (83,8%), рязанских - Окская (87,2%), белорусских -Припять (84,7%).

Высокоурожайные белгородские и воронежские сорта отличались не только большим количеством, но и крупностью семян. По массе 1000 семян они превышали орловские сорта в среднем на 47%, рязанские - на 25%, белорусские - на 18%.

Но, для производства важна не только величина формируемого урожая, но и его качество. В опытах самые высокоурожайные белгородские и воронежские сорта содержали в семенах белка на 1,8%, а жира - на 2,2% меньше, соответственно по сравнению с сортами рязанской и орловской селекций, (рис. 10).

Пбелок

'жир

Белгородские и Орловские Рязанские Белорусские

Воронежские сорта

Рисунок 10. - Содержание белка и жира в сменах сортов сои, в среднем за 2009-2011гг.

То есть орловские сорта имели превосходство над остальным по содержанию в семенах жира, а рязанские - белка. Причем, их преимущества больше всего проявлялись в сухую и жаркую погоду во время вегетации растений. В результате в 2010 засушливом году среднеурожайный сорт Свапа орловской селекции по сбору белка с единицы площади не уступал высокоурожайному сорту Воронежская 31, а по жиру существенно его превосходил. Из сортов рязанской селекции высокий сбор белка и жира обеспечивал сорт Окская.

6. АДАПТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СОРТОВ СОИ СЕВЕРНОГО ЭКОТИПА

В агрономии под адаптивностью понимают способность растений сельскохозяйственных культур приспосабливаться к различным условиям произрастания и формировать при этом высокий и стабильный урожай.

По результатам проведенных исследований, урожайность семян сортов сои в годы исследований составляла в среднем 3,20 т/га, что является сопоставимым с урожайностью культуры в Амурской области на Дальнем Востоке. Наибольшая ее величина отмечалась в 2011 году, относительно благоприятному по увлажнению и тепловому режиму для растений сои, а наименьшая - в 2010 году, когда на протяжении почти всего периода генеративного развития стояла жаркая и сухая погода (рис. 11).

т/га

4 "Г "

3 4'

2 4"

1 4"

¡ш

'Ш:

ш

2009пш Рисунок 11.

2.01.0.х(ш

_2011хш1„

■ Урожайность семян сои в условиях ЦЧР России в разные годы исследований

В этот год урожайность семян формировалась в среднем на 23% меньше, по сравнению с 2009 и 2011 годами. Это означает, что для получения, не только высоких, но и стабильных урожаев семян сои в регионе необходимо существенно повысить адаптивные возможности возделываемых сортов культуры.

В опытах наибольшая урожайность семян отмечалась у белгородских и воронежских сортов - (от 4,30 до 5,10 т/га), затем у орловских (2,40 - 4,10 т/га) и рязанских (2,30 - 3,0 т/га) и меньше всего ее величина была у белорусских сортов - 1,90 - 2,4 т/га. Но наибольшей стабильностью характеризовались сорта белорусской и рязанской, а не белгородско-воронежской селекции. Обнаруживается четко выраженная тенденция, чем выше у сорта формируется урожайность семян, тем менее она стабильна у сорта по годам (табл. 6).

Таблица 6 - Отклонение урожайности семян сои от средней по

годам у различных групп сортов

Сорта Урожайность семян, т/га Отклонение от средней урожайности ± т/га

2009-2011гг. 2009г. 2010г. 2011г.

белгородские и воронежские 4,72 +0,2 -0,4 +0,4

орловские 3,21 +0,9 -0,8 +0,2

рязанские 2,70 +0,3 -0,4 +0,2

белорусские 2,31 +0Д -0,4 +0,1

Стабильность формируемого урожая у сортов сои существенно завесила от адаптивных свойств их фотосинтетической системы, за счет которой создается до 95 % сухого вещества растений (Ничипорович, 1971). Было в частности показано, что в течение суток наибольшая интенсивность фотосинтеза листьев у сортов сои проявляется с 10 до 12 часов дня, а затем её кривая выходит на плато и

Рисунок 12. - Суточное изменение интенсивности фотосинтеза листьев у сортов сои в фазу плоского боба Такой суточный ход интенсивности фотосинтеза есть результат приспособления фотосинтетической системы растений к дневному их освещению. В специальных модельных опытах было показано, что все изученные сорта положительно реагируют на интенсивность освещения - при увеличении ее с 1300 до 1500цмоль наблюдается рост активности фотосинтеза листьев с 9,2 до 14,3 цМольС02/м2*с (рис. 13).

Коэффициент корреляции между интенсивностью фотосинтеза и освещенностью составлял+0,98. Полного светового насыщения фотосинтеза все сорта достигали при освещении 1300 - 1500|лмоль.

Рисунок 13. - Зависимость интенсивности фотосинтеза сортов сои от интенсивности освещения

Это означает, что интенсивность света в ЦентральноЧерноземном регионе России не является лимитирующим фактором фотосинтеза у сортов сои, так как на протяжении всего генеративного периода развития растений ее величина находится на уровне 1400-1800цмоль и более. Тем не менее, целесообразно в данном случае создавать сорта более светолюбивые, в целях наиболее полного использования агроклиматических ресурсов региона.

Приспособление листьев к свету проявлялась и на самом растении: ИФ верхних листьев у сортов сои была в 1,4 раза выше, чем средних и в 3,2 раза, чем нижних. Низкая активность последних была обусловлена сильным их затенением и большим физиологическим возрастом. Это позволило сделать вывод, что у растений сои в период налива семян основная нагрузка по обеспечению их ассимилянтами ложится на листья расположенные в среднем и верхнем ярусах (рис.

И),____________________________

О нижний

ярус

•средний

1 верхний

* 1s 15

О О 10 -

-2

ч о 5 -

?

п. 0 -

-

г

Белгородские и Воронежские

Орловские

Рязанские

Белорусские

сорта

Рисунок 14. - Интенсивность фотосинтеза листьев сои в зависимости от яруса, среднее за 2009-2011гг.

Однако, по активности и эффективности использования поглощенных квантов света листьями сои отмечалась диаметрально противоположная картина. В данном случае наибольшей фотоактивностью характеризовались, прежде всего, листья нижних, а не средних и верхних ярусов. По величине квантового выхода в ФСП, листья нижнего яруса растений превосходили средние на 9%, верхние -на 30% (рис. 15).

Белгородские и Орловские

Воронежские

сорта

Рязанские

Белорусские

Рисунок 15. - Величина квантового выхода в фотосистеме II у листьев сои разных ярусов, в среднем за 2009-2011гг.

Выраженная реакция фотосинтеза листьев сои отмечалась и на изменение в воздухе С02. При увеличении концентрации диоксида углерода с 0,015 до 0,083% ИФ у сортов сои фактически росла прямолинейно, а когда его становилось в 4 раза больше, чем в воздухе, кривая ИФ выходила на плато и затем медленно снижалась. При этом, наиболее существенные сортовые различия по ИФ проявлялись при

Рисунок 16. -Зависимость интенсивности фотосинтеза листьев

сортов сои от концентрации С02 в воздухе, где - и - концентрация С02 в воздухе равная 0,033%

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сорта сои, рекомендованные для возделывания в Центральных областях России обладают относительно высокими продуктивными, фотосинтетическими и адаптивными возможностями. У растений образуется в среднем до 109 семязачатков, что при полной их физиологической реализации может обеспечить свыше 15г семян на растение или 6,10 т на га. В тоже время биоклиматические ресурсы Орловской области позволяют получить максимально 4,99т/га. Фактическая же урожайность агроценозов даже в годы с благоприятными погодными условиями составляет в среднем 3,20 т семян на га с содержанием белка 43,5%, жира - 20,5%. Хотя это и ниже на 36% от максимально возможного в регионе, но сопоставимо по значению с основными соевыми регионами России Дальним Востоком и Краснодарским краем (Ран, 2009).

Формирование такого уровня урожайности и такими потребительскими качествами семян сои в условиях Центральночерноземного региона России достигается преимущественно за счет продолжительного вегетационного периода растений (в среднем 115 дней) и образования мощной листовой поверхности (1900см2/раст.). Наиболее высокая активность фотосинтетической деятельности растений проявляется в период генеративного развития, в частности, когда отмечается интенсивный налив бобов. Чистая продуктивность фотосинтеза в это время на 14%, а эффективность использования квантов света на первичные реакции фотосинтеза на 11% выше, по сравнению с фазой плоского боба. При этом молекулы хлорофилла листьев эффективнее всего усваивают кванты света, когда создаются благоприятные условия по увлажнению и температурному режиму (2009 и 2011гг.) и менее эффективно этот процесс протекает в засуху. Величина квантового выхода в ФСП листьев сои в 2010 засушливом году была в среднем на 7% ниже, по сравнению с 2009 и 2011 годами.

Среди изученных сортов сои северного экотипа по морфофизиологическим признакам и свойствам наиболее перспективными для региона признаны такие сорта как Свала и Окская, отличающиеся высокой всхожестью семян, энергией прорастания и активностью начального роста.

Причем они характеризуются не только интенсивным ростом, но и развитием растений, в среднем на 5 дней раньше заканчивают вегетацию и при этом формируют относительно небольшую (2213см2/раст.), но фотосинтетически активную листовую поверхность: по ЧПФ и ИФ в фазу налива семян превосходили белгородские и воронежские сорта в среднем на 13%.

Благодаря этим свойствам сорта сои Свапа и Окская за более короткий вегетационный период образуют хотя и не самую высокую (2,95т/га), но более стабильную и качественную урожайность. По содержанию белка и жира в семенах они превосходят белгородские и воронежские сорта в среднем на 1,0 и 1,8%, соответственно. В совокупности это позволило обосновать

морфофизиологические параметры перспективного сорта сои, как цели селекции в Центрально-Черноземном регионе России.

ВЫВОДЫ

1. Потенциальная урожайность сортов сои северного экотипа составляет в среднем 6,11т, а максимально возможная в условиях Центрально-Черноземного региона Росси 4,99т семян с гектара. Но в условиях производственного агроценоза данный потенциал реализуется на 52%, что позволяет получать 3,25 т/га семян с содержанием белка 43,5%, жира - 20,5%,

2. Формирование такого уровня урожайности и потребительскими качествами в условиях региона достигается преимущественно за счет продолжительного вегетационного периода растений (в среднем 115 дней) и образования в фазу налива семян мощной листовой поверхности (в среднем 2441см2/раст.), с квантовым выходом фотосистемы II - 0,67 и интенсивностью фотосинтеза -11,5рмольС02/м2*с.

3. Наиболее высокая фотосинтетическая активность листьев у сортов сои отмечается в период массового налива семян - ЧПФ в это время на 14%, а эффективность использования квантов света в фотосистеме II на 11 % выше, по сравнению с фазой плоского боба.

4. Показано, что наиболее высокая активность темновой фазы фотосинтеза (ИФ) проявляется у листьев средних и верхних ярусов, а световой - нижних. Интенсивность поглощения молекул С02 верхними листьями была в годы исследований на 46% выше, чем средних и нижних, а значение квантового выхода их ФС II наоборот была на 15% ниже.

5. Фотосинтетическая активность листьев сои существенно зависит не только от сортовых особенностей растений, но и условий их произрастания. В 2010 засушливом году в фазу налива семян величина ЧПФ, КВРЗФСП и ИФ была в среднем на 5,5% меньше, по сравнению с 2011 годом, более благоприятном по увлажнению и температуре воздуха. Коэффициент корреляции между ИФ и освещенностью составил +0,98, а между ИФ и концентрацией С02 в воздухе +0,56.

6. Интенсивность падающего света на посевы сои и содержание в листьях хлорофилла не являются в регионе лимитирующими факторами фотосинтетической активности растений. Интенсивность фотосинтеза сортов сои выходит на плато при освещении 1300цмоль, тогда как ее величина в регионе во время генеративного развития растений достигает 1800цмоль и более.

7. Содержание каротиноидов в листьях сортов сои в фазу плоского боба на 32%, а в период налива семян на 20% меньше, по сравнению с хлорофиллом «а+в». Но в отличии от хлорофилла, его количество в листьях в период налива семян практически не изменяется - снижение составляло всего 3,9% по сравнению с фазой плоского боба.

8. Среди изученных сортов сои самой высокой потенциальной (7,20т/га) и фактической (4,бОт/га) урожайностью семян, продолжительностью вегетационного периода (122 дня) и листовой поверхностью (3500 см2/раст.) характеризуются сорта Белгородская 48 и Воронежская 31.

9. Орловские и рязанские сорта, такие как Свапа и Окская, формируют хотя и не самую высокую (в среднем 2,95т/га), но более стабильную и качественную урожайность семян за меньший вегетационный период. Продолжительность вегетационного периода у них была в среднем на 13 дней короче, а содержание белка и жира в семенах в среднем на 1,0 и 1,8% больше по сравнению с белгородскими и воронежскими сортами.

10. Сорта Свапа и Окская отличаются также высокой активностью начального роста и формированием относительно небольшой (2213см2/раст.), но фотосинтетически активной листовой поверхности. По энергии прорастания, всхожести семян, интенсивности линейного роста и ЧПФ они превосходили белгородские и воронежские сорта, в среднем на 14%.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

1. В Орловской области ддя организации эффективного производства сои целесообразно использовать сорта Свапа и Окская, которые характеризуются относительно коротким вегетационным периодом (в среднем 109 дней) некрупными семенами (масса 1000 семян в среднем 124г) и высоким содержанием в них белка (43,7%) и жира (20,6%).

2. Для создания сортов сои с высокой фотосинтетической активностью и продуктивностью рекомендуется использовать в качестве исходного материала сорта Касатка, Светлая, Малетка, которые наряду с высокой интенсивностью фотосинтеза характеризуются и низкой интенсивностью транспирации.

3. Полученные экспериментальные данные по потенциальной продуктивности, росту и развитию, фотосинтетической деятельности

сортов сои северного экотипа предлагается использовать в научных исследованиях по изучению физиологических особенностей сортов и других зернобобовых культур, а также в учебном процессе при подготовке в высших учебных заведениях студентов агрономических специальностей.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Петрова, С.Н. Ресурсосберегающие технологии в растениеводстве на основе полезных микробиологических сообществ / С.Н. Петрова, Н.В. Парахин, H.A. Прилепская, В.И. Толубеева, Ю.В. Кузмичева, Ю.В. Моисеенко, И.И. Кузнецов, A.B. Амелин // I Всерос. молодежный инновационный конвент (100 инноваций идеи изобретения проекты). - Москва, 2008. — С. 162-163.

2. Петрова С.Н. Производство белка в союзе с микробами / С.Н. Петрова, Н.В. Парахин, A.B. Амелин, Ю.В. Кузмичева, Ю.В. Моисеенко, И.И. Кузнецов // II Всерос. молодежный инновационный конвент (Лучшие разработки Зворыкинского проекта в 2009 году). -Санкт-Петербург, 2009. - С. 145-146.

3. Кузнецов И.И. Особенности начального роста у разных сортотипов сои/ И.И. Кузнецов, A.B. Амелин // Сб. Всероссийская конференция. Современные аспекты структурно-функциональной биологии растений и грибов. Орел, 2010. - С. 119-123.

4. Амелин, A.B. Изменение показателей качества семян у сортов гороха полевого в результате селекции на семенную продуктивность/ A.B. Амелин, И.В. Кондыков, Е.И. Чекалин, И.И. Кузнецов // Вестник ОрелГАУ №3, 2009. - С. 35-38.

5. Кузнецов, И.И. Онтогенетические и генотипические особенности протекания фотосинтеза у растений сои/ И.И. Кузнецов, A.B. Амелин // Сб. Инновационный потенциал молодых ученых - АПК Орловской Области Орел: изд-во ОрелГАУ, 2010. - С. 155-159.

6. Амелин, A.B. Особенности начального роста у разных сортотипов сон / A.B. Амелин, И.И. Кузнецов, В.Н. Зайцев // Вестник ОрелГАУ №6, 2010. - С. 131-134.

7. Амелин, A.B. Потенциальные возможности продукционного процесса у современных сортов сои различных агроэкологических групп в условиях Центрально-Черноземного региона России / A.B. Амелин, И.И. Кузнецов // Сб. Новые сорта сельскохозяйственных

л

культур - составная часть инновационных технологий в растениеводстве. Орел, 2011. - С. 411-416.

8. Амелин, A.B. О необходимости и возможностях использования показателей фотосинтеза в селекции сельскохозяйственных культур / A.B. Амелин, А.Н. Фесенко, И.В. Кондыков, Е.И. Чекалин, В.И. Панарина, И.И. Кузнецов, Т.В. Бойко, С.Н. Шепелева // Сб. по материалам докладов VII съезда Общества физиологов растений России «Физиология растений -фундаментальная основа экологии и инновационных биотехнологий». Нижний Новгород, 2011. - С. 49-50.

9. Амелин, A.B. Особенности фотосинтеза в онтогенезе различных по эколого-географнческому происхождению сортов сои / A.B. Амелин, И.И. Кузнецов, Е.И. Чекалин // Вестник ОрелГАУ №3, 2011. - С. 2-5.

10. Кузнецов, И.И. Потенциальные возможности продукционного процесса растений у сортов сои северного экотипа в условиях Центрально-Черноземного региона России / И.И. Кузнецов, A.B. Амелин // Вестник ОрелГАУ №2,2012. - С. 11-13.

Подписано в печать 23.04.2012 г. Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,0. Заказ 58. Тираж 100 экз.

Отпечатано в издательстве Орел ГАУ, 2012, Орел, бульвар Победы, 19

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата сельскохозяйственных наук, Кузнецов, Иван Иванович, Орел

61 12-6/518

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кузнецов Иван Иванович

ПРОДУКТИВНЫЙ, ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИЙ И АДАПТИВНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ СОРТОВ СОИ СЕВЕРНОГО ЭКОТИПА И ЕГО РЕАЛИЗАЦИЯ В УСЛОВИЯХ ЦЕНТРАЛЬНО-ЧЕРНОЗЕМНОГО РЕГИОНА РОССИИ

специальность 03.01.05 - физиология и биохимия растений

Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

На правах рукописи

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Амелин А.В.

Орел - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 4

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 8

1.1. Ареал распространения и хозяйственная ценность культуры соя 8

1.2. Биологический потенциал культуры и условия его реализации 12

1.3. Морфофизиологические особенности растений сои и их использование в селекции 19

2.. ОПЫТНЫЙ МАТЕРИАЛ, МЕТОДИКА И УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 30

2.1. Место и условия проведения экспериментов 30

2.2. Опытный материал и методы его исследований 34

2.3. Учеты, наблюдения и методы их определения 36

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 39

3. ОСОБЕННОСТИ РОСТА И РАЗВИТИЯ РАСТЕННИИ У СОРТОВ СОИ СЕВЕРНОГО ЭКОТИПА 39

3.1. Особенности роста стебля и корня у растений сои 39

3.1.1 Особенности роста корешка у проростков сои 41

3.2.1 Особенности роста стебля у растений сои 45

3.3. Продолжительность вегетационного и межфазных периодов развития растений у изученных сортов сои 53

4. ОСОБЕННОСТИ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОИ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ СОРТОВ СОИ СЕВЕРНОГО ЭКОТИПА 58

4.1. Структурные показатели фотосинтетической системы растений 58

4.1.1 Площадь листьев растений сои 58

4.1.2 Облиственность растений и их фотосинтетический потенциал 62

4.2 Функциональные показатели фотосинтетической деятельности сортов сои 64

4.2.1 Чистая продуктивность фотосинтеза листьев 65

4.2.2 Активность световых реакций фотосинтеза листьев 69

4.2.3 Содержание хлорофилла «а+в» и каротиноидов в листьях растений сои 72

4.2.4 Активность темновых реакций фотосинтеза у растений сои 76

5. ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ И ФАКТИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОДУКТИВНОСТИ И УРОЖАЙНОСТИ СОРТОВ СОИ СЕВЕРНОГО ЭКОТИПА 82

5.1. Урожайность семян и составляющие ее элементы 82

6. АДАПТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СОРТОВ СОИ СЕВЕРНОГО ЭКОТИПА 95

6.1. Адаптивные возможности растений сои к свету 98

6.2. Реакция фотосинтеза растений сои на концентрацию С02 в воздухе 106

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 109

ВЫВОДЫ 113

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ 115

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 116

ПРИЛОЖЕНИЯ 143

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Соя одна из лучших ресурсосберегающих и средообразующих культур, так как способна фиксировать и оставлять после себя до 250 кг/га азота. По этому показателю она превосходит такие культуры как горох и кормовые бобы и занимает азотфиксации _ место среди зернобобовых культур.

Соя является очень ценной не только кормовой, но и продовольственной культурой. Продукты и ингредиенты, полученные при ее переработки широко используются в пищевой и даже в фармацевтической промышленности.

По данным ФАО, в 2010 году её площадь в мире составляла уже 102,38млн. га, при средней урожайности 2,55 т/га. В России площади занятые под соей составляют 1,04 млн. га при средней урожайности 1,18 т/га, что на 53% меньше по сравнению со средней урожайностью в мире.

То есть соя является биологически и экономически выгодной культурой, которую можно возделывать без внесения азотных удобрений и пестицидов. Она не требует затрат на возмещение ущерба окружающей среде и способствует ее сохранению, пользуется устойчивым спросом на мировом рынке.

Внедрить сою в ЦЧР пытались неоднократно - в довоенные (19301935гг.), послевоенные (1948-1950гг.), в шестидесятые и восьмидесятые годы. Однако эти попытки были не всегда успешными.

Это обусловлено тем, что являясь культурой теплолюбивой и влаголюбивой соя способна расти и давать хороший урожай не во всех, а только в удовлетворяющих эти потребности агрометеорологических условиях.

Однако с изменением климата в сторону потепления ареал ее возделывания продвигается в северные широты России. Уже возделываются сорта, которые рекомендованы для Московской, Брянской, Орловской и других областей Центрального и Центрально-Черноземного регионов России.

Тем не менее, эффективность ее производства пока остается низкой, в частности из-за продолжительного вегетационного периода сортов, высокой зависимости от теплового и светового режима. В связи с этим требуются детальные исследования морфобиологических и фотосинтетических особенностей растений сои у сортов северного экотипа, выявление их потенциальных адаптивных и продукционных возможностей с целью реализации в селекции сои.

Цель исследований - определить продуктивные, фотосинтетические и адаптивные возможности растений сои северного экотипа и обосновать их параметры у перспективного сорта для условий Центрально- Черноземного региона России.

1. изучить особенности роста и развития сортов сои;

2. выявить морфологические особенности их растений;

3. установить сортовые различия по фотосинтетической деятельности растений;

4. определить потенциальную, максимально возможную и фактическую урожайность семян у сортов сои в условиях региона;

5. обосновать перспективные пути совершенствования сортов сои северного экотипа для условий Центрально-Черноземного региона России;

6. выявить источники высокой активности фотосинтетической деятельности для использования в селекции культуры.

Научная новизна. Впервые изучены продуктивные, адаптивные и фотосинтетические возможности сортов сои северного экотипа в условиях Центрально-Черноземного региона России; установлена степень и характер влияния на реализацию биологического потенциала растений сои наследственности, агроценотических, природно-климатических и погодных условий произрастания; многосерийными лабораторными методами определены особенности начального роста ростка и корешка у 7, 14 и 21

суточных проростков сои и их влияние на последующие развитие; показан характер накопления и распределения сухой массы по органам растений; в полевых условиях на интактных растениях сои в режиме реального времени с помощью новейшего партотивного оборудования впервые изучена интенсивность световых (квантовый выход разделения зарядов ФСН) и темновых реакций фотосинтеза (интенсивность фотосинтеза, транспирации) у разных сортов сои северного экотипа; выявлена высокая зависимость интенсивности фотосинтеза от освещенности растений (г=+0,98) и концентрацией С02 в воздухе (г=+0,56).

Практическая значимость работы. С помощью полевых опытов установлена потенциальная (6, Ют/га), максимально возможная (4,99т/га) в климатических условиях Центрально-Черноземного региона России и фактическая (3,20т/га) урожайность семян у сортов сои северного экотипа. На основе морфофизиологического и биохимического анализа из них выявлены наиболее эффективные сорта для возделывания в регионе (Свапа и Окская) и с учетом их особенностей определены и обоснованы оптимальные параметры у перспективного сорта, как цели селекции. Проведена оценка коллекционных образцов сои ВНИИЗБК, в результате которой для селекции культуры выделены источники с высокой активностью начального роста (сорта Свапа и Окская) и фотосинтетической деятельности (сорта Светлая, Касатка, Малетка).

Апробация работы. Материалы диссертации представлены и доложены на: первом Всероссийском молодежном инновационном конвенте (Москва, 2008); втором Всероссийском молодежном инновационном конвенте (Санкт-Петербург, 2009); региональной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Неделя науки» Орел ГАУ (Орёл, 2010); Всероссийской конференции «Современные аспекты структурно-функциональной биологии растений и грибов» (Орёл, 2010); втором этапе Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых аграрных вузов Центрального

федерального округа в номинации «Сельскохозяйственные науки» (Курск, 2011); на третьем финальном этапе Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых аграрных вузов Центрального федерального округа в номинации «Сельскохозяйственные науки» (Орёл, 2011); Конкурсе Департамента образования, культуры и спорта Орловской области «Лучшая научно-исследовательская работа молодых ученых 2011» (Орёл, 2011).

По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе в рекомендованных изданиях ВАК Минобразования РФ - 3.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 151 страницах. Включает в себя: обзор литературы, экспериментальную часть из 4 глав, заключение, выводы, предложения по использованию результатов исследования, список литературы и приложения. В работе содержится 37 таблиц, 36 рисунков. Список литературы включает 246 литературных источников, из которых 29 на иностранных языках.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Ареал распространения и хозяйственная ценность культуры

соя

Соя культурная (вНсте шах) - однолетнее растение семейства бобовые (ЕаЬасеае).

Ее родиной являются субтропики Юго-Восточной Азии. В Китае она была известна 6 тыс. лет до н. э. Издавна возделывается и в других странах Азии (в Индии, Японии, Корее, Вьетнаме, и Индонезии) (Сигаев, 1971; Заверюхин и др, 1988).

Известный в середине XX века китайский учёный Сунь Син-дун (1958), ссылаясь на лингвистические работы соотечественников, полагал, что современное название «соя» восходит к китайскому слову «шу» или «су» -боб, так в П-1 тысячелетиях до н.э. в Китае называли сою.

По мнению селекционеров той эпохи, началом массового внедрения и распространения сои в России следует считать 1924-1927 гг. (Енкен, 1959). Тогда же соя стала возделываться в Краснодарском и Ставропольском краях, а также в Ростовской области.

Сформированные в этих теплых условиях сорта, естественно не могли продвигаться в более северные районы, поэтому данная культура в течение долгого времени культивировалась только в этом регионе. Для продвижения ее в северные регионы необходимо создавать такие сорта и формы растений, биологическим потребностям которых, соответствуют климатические условия региона, в котором их предполагается возделывать.

За последние десятилетия селекционерам создать сорта сои, приспособленные к различным почвенно-климатическим условиям. Благодаря этому в двадцатом веке отмечен стремительный рост площадей посева, причем, на всех континентах и повышение урожайности этой культуры (Посыпанов, 1984). Созданы новые скороспелые сорта и формы северного экотипа, устойчиво вызревающие в южной и центральной части

Нечерноземной зоны Российской Федерации (Посыпанов и др., 2007). Пробные посевы сои есть даже в Сибири, где ее пытаются возделывать при сумме активных температур от 1800 °С (Омельнюк и др., 2005).

В настоящее время в мировом земледелии соя занимает ведущее место по сбору семян среди зерновых бобовых и масличных культур, уступая по этому показателю только рису, пшенице и кукурузе (Посыпанов и др., 2006).

В развитых странах площади занятые в полевых севооборотах под зернобобовыми культурами составляют 10-12%. Страны, которые расположены южнее 48-50° северной широты наибольшее предпочтение из всех зернобобовых культур отдают сое (Светашова и др., 2010).

Возникает справедливый вопрос, почему соя получила такое признание и распространение во всем мире. А ответ довольно простой, все дело в качестве ее семян. Семмена сои содержит 36—48% белка, 17—26% жира и более 20%> углеводов (Терентьев, 1982; Балакай и др., 2003).

По мнению Вавилова (1983) среди зернобобовых культур наиболее ценной является соя. Она при благоприятных условиях выращивания способна фиксировать азота из воздуха не меньше, чем люпин белый - до 280 кг/га.

Зерно сои характеризуется как сбалансированное по аминокислотному составу и состоит в основном из водо- и солерастворимых фракций. Переваримость белка сои значительно выше, чем других зерновых бобовыъх и мятликовых культур (Вавилов, 1978). Также следует отметить, что белок сои в отличии от животного белка не содержит холестерина.

Соевые продукты рекомендуют диабетикам, а также в качестве профилактики аллергических, раковых, почечных и сердечных заболеваний, остеопороза, ожирения, нарушения моторной функции кишечника и желчнокаменной болезни. Поэтому в последнее время они приобретают все большую популярность как основа здорового питания. Основной белок сои — глицинии. При закисании он створаживается, и это позволяет производить из сои продукты, заменяющие молоко. В Восточной и Юго-Восточной Азии

до XIX века в пищу вообще не использовали животное молоко. В пище этих народов этот важный продукт с успехом заменяло соевое молоко (Жукова, 1995; Балакай и др., 2003; Дроздов и др., 2003).

Самым эффективным путем ликвидации дефицита растительного белка и улучшения пищевой ценности продуктов питания является использование новых источников белка. Среди всех сельскохозяйственных культур соя занимает второе место после пшеницы по общей массе белка. Несмотря на это пшеничный белок используется на 74% в пищевой промышленности , а соевый, по оценкам специалистов ФАО, не более чем на 10%, поэтому основным источником белкового питания для населения в мире является соя

(Подобедов, 2002).

В настоящее время 85 стран мира применяют соевый белковый изолят (СБИ) в различных отраслях пищевой промышленности (мясной, молочной, кондитерской, рыбной), Самый распространенный СБИ — это СУПРО-500 Е, который характеризуется высоким содержанием белка (массовая доля белка в изоляте — до 92,5% , воды — 5,0% , жира — 0,8%, клетчатки — 0,1% , золы — 3,8%) и глубокой очисткой (Шпаар и др., 2000; Филатов и др., 2004). Препарат уникально сбалансирован по аминокислотному составу, он не уступает высококачественному животному сырью по биологической ценности (включая мясо, молоко и яйцо) и хорошо усваивается в организме (Шпаар и др., 2000; Mesa et all., 2009; Lee et all., 2009).

Сою используют для кормления всех видов животных и птицы в виде муки, жмыха, шрота, белковых концентратов, молока, зеленой массы, сена, сенажа, травяной муки и силоса. Зерно сои содержит 36—48% белка, 17— 26% жира и более 20% углеводов. В 100 кг его содержится 131 кормовая единица и 29,2 кг переваримого протеина. Белок сои хорошо сбалансирован по аминокислотному составу, он легко усваивается и по биологической ценности приближается к белкам мяса, молока и яиц (Терентьев, 1982 Балакай и др., 2003; Чевердин и др., 2010).

Как указывают некоторые авторы (Сигаев, 1971; Филатов и др., 2004), возможно использование соевого сена при кормлении сельскохозяйственных животных. Соевое сено по содержанию белка, выходу кормовых единиц, количеству фосфора, кальция и каротина не уступает сену клевера. Соевый силос хорошо поедается животными. Ведь в его сухом веществе содержится 15,5...20,5 % клетчатки, которая должно присутствовать в рационе животных.

По мнению Посыпанова (2006), формирование полноценного белка сои обусловлено симбиотической фиксацией азота воздуха, что позволяет не вносить азотные удобрения. И в этой связи соя как никакая другая культура является наиболее экологичной и экономически выгодной.

Кроме способности фиксировать молекулярный азот из воздуха бобовые культуры обладают лучшей способностью, в сравнении с зерновыми культурами, усваивать и малодоступные формы почвенных фосфатов и калия (Трепачев, 1999; Дробышева, 2000).

Но возможно ли культуру, Родиной которой являются субтропики, успешно возделывать в условиях Центральной России. Ответ очевиден. Да. Это обосновывается тем, что в конце XXI века температура в приземном слое может увеличиться на 1,4-5,8 °С. В результате чего на севере и северо-западе России произойдет удлинение периода вегетации на 1,5 месяца, а годовая сумма эффективных температур увеличится на 600-650 °С, что конечно обеспечит смещение границ земледелия на север от 250 до 400 км (Вермель, 1996; Обаси, 2002). Такие изменения климата, несомненно, будут способствовать продвижению сои в более северные районы России.

В связи с этим, вопросы о расширении ареала возделывания сои, в том числе за счет внедрения скороспелых сортов с повышенной урожайностью, качеством семян, белковой и масличной продуктивностью, заслуживают самого пристального внимания, как ученых, так и практиков.

1.2 Биологический потенциал культуры и условия его реализации

Известно, что для внедрения в производство и успешного возделывания любой сельскохозяйственной культуры необходимо, чтобы биологическим потребностям культуры соответствовали природно-климатические условиями зоны, в которой предполагается возделывать эту культуру (Сапожникова, 1974; Кулик, 1976; Гулинова, 1978; Пасов, 1978). Влияние условий произрастания на урожайность и качество по