Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ СЕЛЕКЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ НА СТАБИЛЬНЫЙ УРОВЕНЬ НАКОПЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПРОДУКЦИИ ОВОЩНЫХ КУЛЬТУР (САЛАТ, ШПИНАТ, ТОМАТ, РЕДЬКА)

ВАК РФ 06.01.05, Селекция и семеноводство

Автореферат диссертации по теме "РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ СЕЛЕКЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ НА СТАБИЛЬНЫЙ УРОВЕНЬ НАКОПЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПРОДУКЦИИ ОВОЩНЫХ КУЛЬТУР (САЛАТ, ШПИНАТ, ТОМАТ, РЕДЬКА)"



На правах рукописи

УШАКОВ Владимир Анатольевич

УДК 631.52: 635: 581.192

РАЗРАБОТКА ЭЛЕМЕНТОВ СЕЛЕКЦИОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ НА СТАБИЛЬНЫЙ УРОВЕНЬ НАКОПЛЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПРОДУКЦИИ ОВОЩНЫХ КУЛЬТУР (САЛАТ, ШПИНАТ, ТОМАТ* РЕДЬКА)

Специальность: 06.01.05 — селекция и семеноводство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

МОСКВА -2005

урЛ

ф

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском институте селекции п семеноводства овощных культур в лаборатории экологических методов селекции в 200]-2004гг.

Научный руководитель:

доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Добруцкая Е.Г.

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук,

старший научный сотрудник Мамедов М.11.

кандидат сельскохозяйственных

наук, доцент Сычев С.М.

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский институт овощеводства

Защита состоится 17 февраля 2005 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 220.019.01 при Всероссийском научно-исследовательском институте селекции и семеноводства овощных культур (143080, Московская обл., Одинцовский р-н., п/о Лесной городок, пос. ВНИИССОК. Факс: (095) 599-22-77; Е-таП: уп»55ок@таЛ.щ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИ селекции и семеноводства овощных культур.

Автореферат разослан 17 января 2005 г.

Ученый секретарь Л ( ?

диссертационного совета Д 220.019.01, ^

' > №

——■

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Интенсивное развитие промышленно-энергетического потенциала ведет к активному поступлению в биосферу и увеличению содержания в ней многих химических элементов, причем в таких количествах, которые во много раз превосходят естественные фоновые уровни. Большую опасность дня живых организмов и человека представляют тяжелые металлы, обладающие канцерогенными и мутагенными свойствами.

Зашита пищевых цепей от продукции, загрязненной тяжелыми металлами, может осуществляться путем организации экологически чистых производств, а также внедрения химических и агротехнических приемов, снижающих поступление экотоксикантов в растения.

Наряду с этим принципиально иной путь решения проблемы -использование мощного адаптивного потенциала растений -устойчивости к эдафнчесыш факторам среды, в частности, способности за счет механизмов поглощения и нейтрализации тяжелых металлов обеспечивать относительно низкое их накопление в товарной части продукции.

Наряду с этим создание сортов овощных культур, способных давать продукцию, обогащенную биологически ценными химическими элементами (такие как Са, и ряд других) позволит улучшить полноценность питания человека.

В связи с этим возникает необходимость разработки методических основ селекции данного направления. Большой интерес представляет изучение параметров среды как фона для отбора исходного материала и оценки селекционного материала в селекции на стабильное содержание химических элементов. Среда является мощным фактором для отбора, н вопрос о фонах, на которых ведется селекция, имеет первостепенное значение. Существует также необходимость разработки эффективных методов ускоренной оценки исходного материала.

Цель и задачи исследований. Целью наших исследований явилось выявление эффективных селекционных фонов и методов отбора на стабильность накопления некоторых химических элементов, в том числе н тяжелых металлов, овощными культурами.

Для достижения поставленной цели нами предусматривалось решение следующих задач;

ЦИБ МСХА фонд научной литературе

ига

1. определение пригодности среды природных экологических фонов для отбора исходного материала на стабильное содержание химических элементов в овощной продукции;

2. оценка информативности сред искусственно созданного загрязнения почвы, как фона для отбора на устойчивость овощных культур к накоплению тяжелых металлов;

3. выявление возможности использования различных типов искусственного загрязнения (почвенное, воздушное) для повышения эффективности отбора при селекции салата на устойчивость к накоплению тяжелых металлов;

4. изучение влияния загрязнения среды роста тяжелыми металлами на изменения микроструктуры стебля и корня салата;

5. изучение влияния различных концентраций Cd в питательной среде и величины ее рН на рост стерильных проростков салата в условиях in vitro.

Научная новизна исследований. Разработана система методов для оценки и отбора на стабильное содержание химических элементов в овощной продукции:

широкое экологическое испытание в условиях естественного загрязнения тяжелыми металлами для выявления форм, контрастно различающихся по селектируемому признаку;

оценка исходного материала на фонах искусственного загрязнения (внесение Cd(N03)2 и РЬ(КОз)г в 1 кг почвы по 300 мг и 3 г соответственно) на первых этапах селекции; оценка исходного материала при селекции салата на устойчивость к фолиарному (некорневому) загрязнению кадмием и свинцом на высокоинформативном фоне искусственно создаваемого воздушного загрязнения этими металлами;

набор сред испытания с разными уровнями загрязнения для использования на заключительных этапах селекции; косвенный отбор устойчивых к накоплению тяжелых металлов образцов по уровню содержания селена; использование методов культуры in vitro для отбора устойчивых к накоплению кадмия сортов салата при концетрации кадмия в питательной среде 300 мг/л и рН=7,8 по показателю всхожесть семян;

использование для проведения экспресс оценки коллекционного материала салата с целью поиска форм, устойчивых к накоплению тяжелых металлов, микроструктурного анализа поперечных срезов стебля.

Практическая значимость работы. Разработанная система методов позволяет повысить эффективность селекционного процесса, направленного на получение сортов овощных культур, обладающих устойчивостью к накоплению тяжелых металлов и со стабильным содержанием биологически ценных химических элементов в продуктивных органах.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены па отчетных сессиях ВНИИ селекции и семеноводства овощных культур, а также на заседании научно-технического совета и расширенном межлабораторном заседании ВНИИССОК в 2005 году. Материалы диссертации были представлены на V Международном симпозиуме «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования» (Пущино, 2003); Международной научно-практической конференции «Приоритетные направления в селекции и семеноводстве сельскохозяйственных растений в XXI веке» (15-18 декабря 2003г., Москва); V Международной научно-практической конференции «Интродукция нетрадиционных и редких растений» (Донской ГАУ, пос, Персиановский, 7-11 июня 2004г.); Международной научно-практической конференции «Производство экологически безопасной продукции растениеводства и животноводства» (Брянск, 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ, одна находится в печати.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов, практических рекомендаций, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 130 страницах компьютерного текста, содержит 34 таблиц, 15 рисунков. Список использованной литературы включает 185 наименований, из которых 48 на иностранных языках.

Материалы и методы исследований

Объектом исследований явились четыре овощные культуры: салат, шпинат, редька и томат. Культуры были подобраны по принципу биологического разнообразия продуктивных органов,

применяемых в пищу: салат, шпинат - листья, редька - корнеплод, томат - плоды. По каждой культуре в испытание включено не менее 6-ти сортов.

Научные исследования проведены на базе лаборатории экологических методов селекции ВНИИ селекции и семеноводства овощных культур. Институт расположен в Одинцовском районе Московской области.

Почвы опытных участков дерновоподзолистые, тяжелосуглинистые. Содержание гумуса составляет 2,5-3,2%. Преобладают почвы со слабокислой, близкой к нейтральной реакцией среды (рН=5,1-6,0) со средним и повышенным содержанием фосфора - 10,1-25,0 мг/100г почвы. Объемная масса почвы в слое 0-20 см составляет 1,05 г/м3, полная влагоемкость 119 мм.

Погодные условия в годы исследований (2001-2004гг.) отличались от среднемноголетннх показателей, однако в целом их можно определить как благоприятные для роста и развития возделываемых нами культур.

Работа включала 5 групп экспернме1ггов;

1. Оценку пригодности среды природных экологических фонов для отбора исходного материала на стабильное содержание химических элементов в овощной продукции проводили на опытном поле ВНИИССОК и полигонах Геологического института Российской академии наук (ГИН РАН), расположенных в Можайском районе Московской области.

Поля находятся на разной отдаленности от автомобильных дорог и населенных пунктов. Расстояние между опытным полем ВНИИССОК и полигонами ГИН РАН составляет 115 км в направлении восток - запад.

Опытное поле ВНИИССОК находится между Минским и Можайским шоссе на отдалении примерно 1000 метров и на расстоянии 2 км от города Одинцово; полигоны T1IH РАН находятся на расстоянии 400 и 800 м от автострады Москва-Минск (М-1), Это обстоятельство влияет на степень загрязненности участков солями тяжелых металлов, в основном образованных из-за осаждения автомобильных выхлопных газов.

Объектом исследований в опыте I являлись четыре овощные культуры: салат, шпинат, редька и томат. По каждой культуре в испытание включено не менее 6-ти сортов.

Опыты закладывали по общепринятой методике проведения полевых исследований в технологические сроки для изучаемых культур.

Редьку, салат, шпинат выращивали путем посева в открытый грунт, томат - через рассаду. Повторность опыта четырехкратная. Размещение вариантов pe i щомизи рованное.

2. Исследования по оценке информативности сред искусственно созданного загрязнения почвы, как фона для отбора на устойчивость овошных культур к накоплению тяжелых металлов в условиях мелкоделяночного полевого опыта проводили на изоучастке опытного поля ВНИИССОК на двух культурах: салат, шпинат.

В испытание были включены:

- сортообразцы шпината: Pricky Large, Old Dominion, Garant, Buterflay, Mona Liza, Юань-ли-БоцаЙ, Местный, Стоик и Жирнели стный;

- сорта салата: Подмосковье (кочанный), Азарт (полукочанный), Изумрудный, Новогодний, Московский парниковый, Алекс (листовые).

Опыт включал в себя следующие варианты:

1 - контроль (без внесения солей тяжелых металлов)

2 - внесение Cd(N03)2 и Pb(N03>2 в 1кг почвы по 5 и 50 мг

соответственно;

3 - внесение Cd(N03)2 и РЬ(Ы03)г в 1кг почвы по 30 и 300 мг

соответственно;

4 - внесение Cd(N03)2 и Pb(N03)2 в 1кг почвы по 100 мг и 1 г

соответствен но;

5 - внесение Cd(N03)2 и Pb(N03)2 в 1кг почвы по 300 мг и 3 г

соответственно.

Для создания фона загрязнения применяли азотнокислые соли кадмия (Cd(N03)2) и свинца (РЬ(ЫОз)г). Использование азотнокислых солей не случайно, так как анион (NO3) сам по себе не увеличивал токсическую нагрузку на культивируемые растения, а при использовании хлористых или сульфатных форм кадмия и свинца возможно увеличение этой нагрузки.

3. Изучение возможности использования искусственных сред загрязнения и различных типов загрязнения (почвенное, воздушное) в условиях вегетационного опыта для повышения эффективности отбора при селекции салата на устойчивость к

накоплению тяжелых металлов провели в условиях стеклянной теплицы ВНИИССОК.

Опыт проведен в вегетационных сосудах диаметром 30см, объемом семь литров. Для набивки сосудов использовали дерново-подзолистую суглинистую почву при естественной полевой влажности.

Материалом для исследований явились 6 сортов салата: два кочанных (Берлинский желтый, Подмосковье), один полукочанный (Азарт) и три листовых (Изумрудный, Новогодний, Московский парниковый).

В опыте изучали три варианта:

1) контроль - без внесения кадмия и свинца;

2) внесение Сй(К03)2 и РЬ(ЬЮэ)2 в 1кг почвы по 50мг и 320 мг соответственно;

3) опрыскивание растений салата водным раствором Сс1(ЫОз); и РЬ(1\Юз)2 пятикратно с интервалом 10 суток в течение вегетации.

Внесение тяжелых металлов в почву проводили единовременно: всю навеску тщательно перемешивали с объемом почвы в сосуде. Внесение тяжелых металлов воздушным путем проводили путем опрыскивания растений салата водным раствором солей тяжелых металлов в течение вегетации пятикратно с интервалом 10 суток. Использовали водные растворы солей Сс1{>Юз)2 и РЬ(Ы03)2 с концентрациями С(1=50мг/л, РЬ=320 мг/л.

4. При изучении влияния загрязнения среды роста тяжелыми металлами на изменения микроструктуры стебля салата были использованы растения из полевого опыта, выращенные при естественном загрязнении среды и на фонах искусственно созданного загрязнения почвы кадмием и свинцом.

В фазу формирования семян в полевых условиях, был проведен отбор образцов стебля. Фрагменты стебля срезали в нижней его части на уровне 10 см от поверхности почвы, на контрольной делянке и делянках с разными дозами внесения кадмия и свинца.

Срез помещали на предметное стекло в 1% раствор флюороглюцина в спирте, на срез наносили каплю концентрированной соляной кислоты и через 1-2 минуты прибавляли каплю глицерина. Препарат накрывали покровным стеклом и изучали под микроскопом при малом увеличении в 2,9

раза. Одревесневшие оболочки клеток приобретают вишневое окрашивание, интенсивность которого определяется степенью лигнификации (Долгова, Ладыгина, 1977).

5. Изучение влияния различных концентраций С<1 в питательной среде на рост стерильных проростков салата в условиях in vitro.

В качестве материала для изучения влияния кислотности и различных концентраций кадмия в питательной среде на рост и накопление кадмия в проростках были взяты. 2 сорта салата, различающихся по устойчивости к накоплению тяжелых металлов в листьях: Азарт (устойчивый) и Алекс (неустойчивый).

Исследования проводили в условиях in vitro, с использованием питательной среды Мурасиге и Скуга (Masuda et al.f 1981).

Кадмий вносили в виде соли азотнокислого кадмия в концентрациях 30 и 300 мг/л раствора однократно при приготовлении сред. Использовали среды с тремя значениями рН -4,0; 5,8; 7,8.

Семена салата стерилизовали раствором коммерческого препарата "Белизна" с добавлением 1 капли Твина-20 на 100 мл стерилизующего раствора в течение 10 минут, с последующим промыванием стерилизованной дистиллированной водой. Семена высевали в пробирки по 12 шт. на каждый вариант опыта. Определяли всхожесть, а также динамик роста растений каждые трое суток с момента появления проростков.

Анализ проводили по стандартной методике с использованием показателя всхожесть семян (ГОСТ 12042-80).

Содержание ряда химических элементов в листьях салата и шпината, в плодах томата и в корнеплодах редьки, а также в почвенных образцах определяли в лаборатории физико-химических методов анализа ГИН РАН методом атомно-адсорбционной спектрометрии по ГОСТу 30178-96 - сырье и продукты пищевые. Автор выражает искреннюю благодарность коллективу аналитического центра ГИН РАН (Ляпунов С.М., Горбунов А.В., Ивлиев А.И., Окина OA. и др.) за оказанную помощь в проведении исследований.

Содержание селена в листьях салата и шпината определяли в лаборатории пищевой токсикологии НИИ питания РАМН. Автор выражает искреннюю благодарность доктору

сельскохозяйственных наук Голубкиной Н.А. за консультации и оказанную помощь при проведении анализов.

Параметры среды рассчитаны по методике Л.6. Кильчевского и JI.B. Хотылевой (1985), статистическая обработка данных по Б.Н. Доспехову (1985) и на ПЭВМ ГОМ PC/AT с использованием пакета прикладных программ Биостат, MICROSOFT EXCEL 7,0.

Работа выполнена в сотрудничестве с лабораториями ВНИИССОК: биохимии и физиологи, биогехнолопш, генетики и цитологии, селекции и семеноводства пасленовых культур, корнеплодных культур.

Сортообразцы шпината для изучения были предоставлены из коллекции ГНЦ ВИР, три сортообразца томата - из Белорусской ГСХА.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Пригодность среды природных экологических фонов для

отбора »сходного материала на стабильное содержание химических элементов в овощной продукции

На первом этапе исследований нами была дана оценка сред испытания по уровню содержания минеральных элементов в почве.

Анализ проведен по шестнадцати элементам, семь из них (Ni, Cr, Си, Zn, Cd, Pb, As) представляют наибольшую опасность для биоты и по ним установлен ПДК. В рассматриваемых нами почвах по некоторым элементам наблюдалось превышение ПДК.

По хрому наблюдали превышение уровня ПДК как в почве Можайского района, так и в почве опытного участка ВНИИССОК в 7 и 10 раз соответственно. По содержанию цинка наблюдали превышение ПДК только в Можайском районе (табл. I).

Различаются участки по содержанию некоторых других элементов в почве. В почвах полигона ГИН РАН значительно больше содержание Вг (в 4 раза), Cd (в 4 раза), Мп (в 1,5 раза).

Выявленные различия опытных участков по содержанию химических элементов в почве позволяют повысить эффективность испытания исходного материала. на устойчивость накопления химических элементов в меняющихся условиях среды.

Таблтща 1.

Содержарие химических элементов в почвах опытных участков, __иг/кг (сухой вес, 3001 г.)_

Элемент Район пдк Фоновое содержание (для дерново-подзолистых почв)

Можайский Одинцовский

Ыа 5490,00 6360,00 - -

К.% 0.88 0,98 - -

Са, % 2.44 1,58 - -

Ва 480,00 500,00 - 330,00

Мп 1100,00 675,00 - 650,00

1-е 2,06 2,07 - -

Сг 42,50 61,50 6,00 -

Си 15,50 13,50 55,00 23.00

2п 110,00 45,50 60,00 49,00

Со 6,60 8,60 - 8,00

N1 25,00 22,00 85,00 51,00

РЪ 23,00 18,00 30,00 19,00

са 0,35 0,10 5,00 0.50

5с 7,55 8,65 - 8,00

67,50 69,00 - -

Вг 25.00 4,95 - -

Предварительная оценка генотип - средовых отношений по межсортовой изменчивости накоплеши химических элементов в товарной части урожая в условиях сред испытания проведена нами по параметру Су (коэффициент вариации).

Таблица 2

Дифференциация сортов овощных культур по уровню накоплении

химических элементов (2001-2002 гг.)

Металл Л типы (коэффициенты вариации на разных фонах, %)

САЛАТ ШПИНАТ ТОМАТ РЕДЬКА

К 11,47-40,84 8,24-35,36 5,68-10,86 29,15-39,99

Са 14,39-52,73 40,63-41,33 20,62-56,59 39,09-64,92

Ре 8,28-52,69 28,92-40,10 13,80-27,62 29,15-56,15

Хп 18,29-41,78 22,47-27,88 ■ 8,15-21,27 46.34-56,14

ТЬ 33,39-60,79 57,75-60,37 0-9,80 -

РЬ 0,00-33,69 6,99-45,07 3,11-24,83 0-22,91

са 24,36-40,83 15,49-22.89 18,50-33,51 25,77-52,54

Си - 12,60-15,39 12,35-24,35 30,31-69,07

Мп 7,96-38,22 13,47-43,49 17,41-37,38 40,30-44,00

В целом результаты предварительной оценки по коэффициенту вариации показали, что на изученных в нашей работе естественных экологических фонах существует возможность ведения отбора для всех изученных овощных культур на стабильный уровень накопления химических элементов. Однако существует специфика взаимодействия растение - среда, как по культурам, так и по отдельным химическим элементам (табл. 2).

Для более точного определения возможности использования изученных сред были рассчитаны параметры комплексной оценки среды по методике Л.В. Кильчевского, Л.В. Хотылевой (1985). Для анализа использовали следующие показатели:

Sek - относительная дифференцирующая способность среды; dk - продуктивность среды; tk - типичность.

Относительная дифференцирующая способность среды (Sek) по уровню содержания химических элементов при изменении пункт - год испытания менялась в зависимости от объекта взаимодействия со средой от 0,0 до 126,8% по салату, от 7,0 до 152,3% по шпинату, от 0,0 до 86,1% по томату и от 0,2 до 124,0% по редьке (табл. 3).

Таблица 3

Относительная дифференцирующая способность среды (Sek, %) по

уровню содержания химических элементов (2001 -2002гг.)

Фон I Na I Cr I Fe I Со I Zn 1 Rb I Br 1 Cd | Pb

СЛЛЛТ

МФ 2001 56,57 30,69 48,45 46,48 19,51 35,54 20,30 40,33 20,55

ММФ2001 43,98 29,29 8,28 28,06 18,29 15.05 -liüi- 24,66 0,00

ВНИИССОК 2001 33.55 31,27 28j4| 91,32 32,82 31,62 33,47 24ß<T 33,69

МФ 2002 126,82 31,9« 13,62 _3±?9 41,78 91,82 73,12 35,99 33,27

ВНИИССОК 2002 46.55 87,07 52,69 0,00 22.03 75,35 ' 20,40 35.18 21,62

ШПИНАТ

1 срок 56,32 45,52 28,92 27,75 22,47 31,10 45,83 28,89 45,07

2 срок 44,21 47,89 40,09 31.55 28,01 34,28 26,65 15,49 6,99

ТОМАТ

ВНИИССОК 2001 86,05 19,31 22,36 22.95 47,33 J&JX- 18,03 14,00

Можайск 2001 45,93 83,25 23,46 9,68 24,10 46,23 29f04 33,93 24,08

ВНИИССОК 2002 63.25 18JS4 24.11 15,27 37,50 67,01 20,08 25,48

Можайск 2002 17,31 67,45 30,50 23,77 6,21 0,00 25,28 25,78 13.50

РЕДЬКА

ВНИИССОК 23,22 40,07 2,60 | 77,67 49,08 52,29 123,95 45,99 22,64

МожайскЖН 109,48 65,54 1.89 1 84,33 56,14 47,86 69,64 25.77 22.91

Можайск2002 39.34 41.66 2,11 1 74,92 ■"46,34 63,66 23,45 36,69 0,00

По редьке возможна оценка в заданном направлении по большинству элементов (кроме Ре и Ва).

На фоне условий всех лет и пунктов испытания стабильно высокой была дифференциация по уровню содержания химических элементов в продукции шпината.

Дифференцирующая способность среды (Бек) по содержанию химических элементов менее выражена у салатами томата. Для обеих культур анализирующий фон не формировался по К, ¥е, Со, Ъл, Е1Ь, РЬ и, кроме того, по Са, Аб, Вг, БЬ, Мл для салата и по Иа и Сс1 для томата (табл. 3)

Определена специфика видовых реакций на изучаемые среды по отдельным элементам.

По всем культурам на всех естественных фонах возможны оценка и отбор по содержанию только 5с и Сг.

Таблица 4

Продуктивность среды по уроваю содержания химических элементов

(2001-2002гг.)

Сорт О Со Сё РЬ

¿ь 1 Т <к | Г 1 * I * «к 1 I

САЛАТ

МФ 2001 0,01 0,07 0,00 0,01 0,08 1,78 0,01 0,04 -0,00 0,02

ММФ 2001 -0,02 0,03 0.00 0,001 -0,02 0,88 _0£02_ 0,05 -0,01 0.02

ВН1ШССОК 2001 0,00 0.07 0,00 0,01 -0,70 0,20 -0.01 0,02 -0,00 0.02

МФ 2002 0,02 0,09 -0,00 0,001 0,18 1,08 -0,00 0,03 0,01 0,03

ВНИИССОК 2002 -0,01 0,06 1 -0,00 0,001 -0,34 0,56 -0,01 0,02 0,01 0,03

1111 ГИНАТ

1 срок -0,03 0,12 -0,01 0,02 0.12 0,54 0,00 0,09 0,02 0,09

2 срок 0,03 0,19 0,01 0,03 -0.13 0.29 -0,00 0.09 -0,02 0,06

ТОМАТ

ВНИИССОК 2001 86.05 0,05 22,36 0,00 47,33 0,33 18,03 0,01 14,00 0,44

Можайск 2001 83,25 9,68 0,01 46.23 1,68 33,93 0,03 24,03 0,65

ВНИИССОК 2002 63.25 0,02 24,11 0,01 37,50 0,77 20,08 0,01 25,48 0.43

Можайск 2002 67,45 0,02 23,77 0,00 0,00 0,30 23,7« 0.01 13,50 0,32

РЕДЬКА

В1ГИИССОК •0,00 0,05 _АОО_ 0,01 52,29 0.89 -0,01 0_,02 ^0,02 0,04

Можпнск2001 0,07 -0,00 0,01 47,86 2,21 0,02 0,04 -0,00

Можайск2002 -0,01 0,04 0,00 0,01 63,66 0,75 -0,00 0,02 -0,00 0,05

По большинству элементов такая работа может быть проведена при условии подбора специальных сред. Поскольку фон естественных сред меняется от нивелирующего до анализирующего по годам в пунктах испытания, испытание не может быть кратковременным.

Менее всего проявляется дифференцирующая способность среды по РЬ (все культуры), СеЗ, Ре (салат, шпинат), Со, 2п, ЯЬ, К (салат, томат), а также Са, Вг, БЬ, Л$ (салат) и Ва (редька).

Продуктивность среды в нашем эксперименте явилась наименее стабильным параметром, значительно меняющемся по средам испытания, причем, как правило, на очень низком уровне. Наиболее высок уровень <4 по N3. Максимальное значение ее меняется от 5,2 для редьки до 91,8 для шпината: Затем следуют параметры продуктивности среды по Ре (0,34-17,9), 2п (0,63-0,96), ЯЬ (0,12-0,93), Мп (0,36-1,25), Вг (0,25-0,34), по остальным - он значительно ниже единицы (табл. 4).

Для определения зависимости дифференциации генотипов от продуктивности среды рассчитаны коэффициенты корреляции между параметрами Эек и (1к. Установлено, что в большинстве случаев связь между этими параметрами существует (табл. 5).

Таблица 5

Корреляции между параметрами среды Sek и tlt по содержанию химических элемеитоп в продукции разных культур, в % от общего числа рассчитанных корреляций (2001-2002гг.)

Культура Сг>0,3 Ci>0,7

прямые обратные

Редька 87.3 51,8 48,2

Томат 79,5 57,6 42,4

Салат 64.3 66.7 33.3

Корреляции значительного уровня наблюдаются в основном прямые, то есть дифференциация по уровню содержания химических элементов выше на фоне высокопродуктивной среды.

На последнем этапе селекции при ЭСИ и ГСИ возрастает роль такой характеристики среды, как типичность. В нашем эксперименте для каждого элемента формировались условия среды, характеризовавшиеся высокой типичностью экологического фона. Однако параметр ^ менялся по годам и пунктам испытания. Поэтому отдать предпочтение одному из них не представляется возможным и включать в сеть испытания на заключительных этапах селекции нужно все фоны, а длительность испытания -увеличить.

Таким образом, на естественном фоне загрязнения среды, при изменении условий во времени и пространстве возможны варианты сочетания внешних факторов среды. Обеспечивающие нужный

уровень ее дифференцирующей способности, продуктивности, типичности. Однако прогнозировать проявление изученных свойств среды невозможно из-за годовых флуктуации погоды. Так же, как при селекции на стабильность других хозяйственно ценных признаков, кратковременное испытание позволяет выделить только те формы, которые контрастны по селектируемому признаку: уровень содержания химических элементов. Для повышения эффективности оценки необходим поиск более информативных сред и ускоренных методов отбора.

Информативность, фонов искусственно созданного загрязнения почвы при селекции на устойчивость овощных культур к накоплению тяжелых металлов.

При оценке реакции растений салата н шпината на фоне искусственно созданного загрязнения почвы РЬ и Сд было установлено, что увеличение концентрации тяжелых металлов в почве по вариантам опыта влияло на уровень накопления кадмия и свинца в зеленой массе различных сортов салата и шпината.

При увеличении загрязнения почвы увеличивались и сортовые различия по накоплению этих металлов. На фоне максимального загрязнения почвы различия между сортами более существенны и статистически доказуемы. Дня шпнната анализирующий эффект среды достигается при меньших концентрациях кадмия и свинца в почве (рис. 1-4).

Рис. 1. Сортовы* различия салит« ло и*коллеиин> клдмил л продуктивных органа* (гоаэ-гоо4гг.)

0Ш 1004* эоо»

Рис. а, Сортмы* различия ил*т* п» нмппмм свштл Я л^одупмвнык орган« (2(М)3-20[Нл\)

К

•Ж

а"

I:

Л 4 1

0

Дом вн*с«нш1 РЬ » ло<му (и гЛсг|

При анализе параметров комплексной оценки среды выявлены существенные различия между изученными фонами для отбора.

Созданные фоны загрязнения по параметру продуктивность среда (¿к) расположились в порядке возрастания пропорционально увеличению созданного загрязнения почвы (табл. 6-7). Соответственно наиболее продуктивной была среда максимального загрязнения по обоим металлам для двух культур.

Таблица 6

Параметры среды как фона для отбора салата яа уровень накопления

тяжелых металлов в зеленой массе (2003-2(ММгг.)

Показатели Вариант I Вариант 11 Вариант III Вариант IV Вариант V

Относительная дифференцирующая способность среды (Бек}, %

С(1 37,27 37,66 39,32 56,45 71,76

РЬ 42,76 45,82 53,12 34,37 62.27

11родуктивностъ среды, ^

С(1 -0,26 -0,20 -0,13 0,06 1,05

РЬ -0,53 -0,46 -0,36 0,03 2,63

Типичность среды, ^

СУ 0,53 -0,52 0,32 0.25 1,00

РЬ 0,27 0,18 0,45 0.54 0,53

5С мг/кг сырой массы

са 0,075 0,13 0,20 0,39 1,38

РЬ 0.075 0,14 0,43 0,62 3,22

Продуктивность среды прямо связана с дифференцирующей способностью среды. Так максимальной дифференцирующей способностью обладает среда наивысшей продуктивности для салата и высокой продуктивности для шпината. Вместе с этим все изученные среды обладали высокой дифференцирующей способностью на уровне анализирующего фона для отбора на заданный признак.

Таблица 7

Параметры среды как фона для отбора шпината па уровень накопления _тяжелых металлов в зеленой массе (2003-2004п.)__

Показатели Вариант 1 Вариант 11 Вариант III Вариант IV ВариантУ

Относительная дифференцирующая способность среды (Зек). %

С<1 22,53 22,56 34,15 38,95 35.88

РЪ 19,68 20,98 33,44 46,09 37,04

Продуктивность среды,

С6 -0,22 -0,14 •0,02 0,08 0,61

РЬ -0,39 -0,26 -0,13 0,32 1,22

Типичность среды,

са 0.46 0,45 0,4 К 0Г42 0,88

РЬ 0.45 0,24 0,44 0,97 0,96

X, мл'кг сырой массы

С6 0,09 0,17 0,30 0,39 0,92

РЬ 0,05 0,19 0,33 0,76 1.66

Исключение наблюдалось в двух случаях для кадмия у салата и в трех для шпината. Действие среды на рассмотренные культуры в этом случае соответствовало стабилизирующему фону для отбора (табл. 6-7).

По параметру 1к (типичпость среды) изученные нами среды в большинстве случаев были низкотипичиыми (в 23 из рассмотренных 34 случаев). Высокотипичиой средой для отбора на уровень накопления обоих металлов для салата и шпината была среда максимального загрязнения (табл. 6-7).

Создание высокого уровня загрязнения почвы позволяет увеличить эффективность отбора на начальных этапах селекционного процесса. В то же время при некотором усилении воздействия на растения фактора «металл» однолетних испытаний недостаточно, и поэтому в сеть испытания необходимо включать сразу несколько фонов с разными уровнями загрязнения. Это позволит выявить образцы со стабильным проявлением селектируемого признака в меняющихся условиях среды.

В рамках этого эксперимента мы также провели оценку полученных растительных образцов по некоторым другим параметрам.

Для изучения влияния уровня накопления тяжелых металлов зеленными культурами на содержание в них селена нами были проанализированы растения с контрольного варианта и растения с варианта максимального загрязнения почвы солями кадмия и свинца.

Более резко реагирует на загрязнение среды роста тяжелыми металлами салат сорта Азарт, характеризующийся относительной устойчивостью к накоплению тяжелых металлов. Содержание селена у этого сорта на фоне загрязнения тяжелыми металлами снижается на 45,3%, тогда как у других сортов снижение содержания селена составляет от 5,1 до 23,1%.

В листьях сортов шпината Mona Lisa и Жирнолистный, характеризующихся низким уровнем накопления кадмия и свинца, содержание селена было значительно выше, чем у других сортов. На загрязнение почвы тяжелыми металлами (внесение в 1 кг почвы 30 мг Cd(N03)2 и 300 мг РЬ(ЫОз)з) эти сорта реагировали значительным снижением, по отношению к контролю, содержания селена на 58 и 65% соответственно (рис. 5).

Рис. 5. Сортовые различия содержания селена в листьях шпината в зависимости от фона загрязнения (2004г.)

В трудах многих исследователей сообщалось, что селен обладает антиоксидаитными свойствами и способен влиять на уровень накопления растениями тяжелых металлов из почвы (Ягоднн и др., 2000; Голубкина и др., 2002; Темичев, 2003; Скальный, 2004). Результаты нашей работы подтверждают, это мнение. Выявленная закономерность может быть использована как метод косвенного отбора форм, устойчивых к накоплению тяжелых металлов. То есть, образцы салата и шпината с более высоким содержанием селена и резким снижением его на фоне загрязнения могут быть характеризованы низким содержанием тяжелых металлов.

Возможность использования различных типов искусственного загрязнения (почвенное, воздушное) для повышения

эффективности отбора при селекции салата на устойчивость к накоплению тяжелых металлов.

Выращивание салата с использованием среды воздушного загрязнения позволило выявить способность салата к накоплению экстремально высоких концентраций кадмия и свинца путем фолиарного поглощения (табл. 8).

Наряду с наличием высоких концентраций кадмия и свинца в листовой массе растений салата, симптомов фнтотоксичности или ростового угнетения этих растений не наблюдалось. Эти данные наглядно показывают, что определение роли среды воздушного загрязнения тяжелыми металлами овощной продукции требует тщательного изучения и оценки возможности ее использования в селекционном процессе.

Таблица 8

Параметры среды разлитых фонов загрязнения для отбора салата

на устойчивость к накоплению тяжелых металлов

Показатели Продукта вноегь среды. dk Относ, дифф. способность среды, Sek Типичность среды, tu X, мг/кг сырой массы

Cd Pb Cd Pb са Pb Cd РЬ '

Контроль 2002г. -32,90 -31,48 54,12 41,50 -0,40 0,83 0,36 7,20

2003г. -32,84 5,67 38,80 63,08 35,27 -0,31 0,76 0,42 6,75

2004г. -32,95 8,28 61,12 -0,60 0,37 0,31 4,71

Почвенное загрязнение 2002г. -30,51 45,35 22,15 58,34 -0,31 -0,20 2,76 36,50

2003г. -31,29 140,85 32,57 37,92 -0,31 -0,09 1,97 31,30

2004г. -31,26 169,32 21,89 51,31 r^77 0,03 2,00 25,36

Воздушное загрязнение 2002г. 95,24 62,97 44,98 26,09 0,73 0,92 128,50 961,77

2003г. 53,03 93,06 25,24 33,27 0,94 0,83 86,28 916,87

2004г. 43,46 131,27 39,25 Ti ,7i 0,49 0,89 76,72 868.7

При рассмотрении продуктивности изученных сред следует отметить, что высоким уровнем этого параметра, как по кадмию, так и по свинцу характеризовалась среда воздушного загрязнения. Также была отмечена высокая продуктивность среды почвенного загрязнения по свинцу (табл. 8) при низкой продуктивности по кадмию.

При анализе параметра «типичность среды (1к)» изученные среды можно расположить в следующем убывающем порядке: воздушное загрязнение > контроль > почвенное загрязнение. Среда воздушного загрязнения была высокотипичной по обоим металлам;

среда контрольного варианта была высокотипична по свинцу и нетипична по кадмию;, среда почвенного загрязнения была низкотипичной для двух металлов.

По параметру Sek (относительная дифференцирующая способность) все изученные среды можно характеризовать как анализирующий фон для отбора и, следовательно, они пригодны для использования на первых этапах селекционного процесса.

Высокая продуктивность среды воздушного загрязнения сочеталась с высокой типичностью этого фона во все годы исследования для обоих металлов. В связи с этим возрастает пригодность этой среды для использования в селекционном процессе не только на начальных этапах, но и при испытании селекционного материала на заключительном этапе селекции, при отборе образцов с относительной устойчивостью к некорневому типу загрязнения.

Испытание среды воздушного загрязнения позволило характеризовать ее как высокоинформативный фон для отбора. Эта среда может найти широкое применение при селекции сортов салата, устойчивых к фолиарному (некорневому) загрязнению кадмием и свинцом.

Изучение влияния загрязнения среды роста тяжелыми металлами на изменения микроструктуры стебля салата При анализе поперечных срезов стеблей салата, отобранных на разных фонах загрязнения в фазе цветения, было отмечено, что у салата наблюдается специфическая сортовая реакция на увеличение загрязнения почвы тяжелыми металлами, проявляющаяся в степени одревеснения проводящих тканей стебля.

Из рисунка 6 видно, что на контрольном варианте одревеснение затрагивает только часть ксилемной ткани, остальные ткани не окрашены.

На фоне загрязнения почвы на уровне 30 мг/кг кадмия и 300 мг/кг свинца степень лигнификацин тканей стебля увеличивается, происходит окрашивание ксилем ной ткани в большей мере и оно затрагивает значительную часть паренхимы (рис. 7),

Однако при увеличении концентрации загрязнителей до уровня ЗООмг/кг Cd и Зг/кг РЬ лигнификация тканей уменьшается и находится ниже уровня контрольного варианта (рис. 8). Возможно,

такие высокие концентрации тяжелых металлов в почве блокируют

Рис. Сттт»ет> липшфнклини* тжлнсА H(1

поперечной срезе стебля (контроль)

Рм. Степень лигннфницни* тканей на

поперечном срезе стебл* (концентрация » почве Cd"30 ыг/кг, РЬ-300 мг/кг)

mm

I'M. J. Степень лнгнмфшеишн* тиней иа поперечном срезе стебли (концентрации в почве СсКЗОО иг/»г, РЬ-3 г/кг

* - степень днгмифнкдцин определяется интенсивностью вишневой окраски

Можно сделать предположение, что сорта салата, у которых степень лигнификации кенлемной ткани стебля на фоне загрязнения выше, потенциально более устойчивы к накоплению тяжелых металлов. И, следовательно, опробованный нами метод можно использовать при проведении экспресс оценки коллекционного материала для поиска форм с заданным селекционным признаком.

Влияние кадмия и величины рН на всхожесть семян салата

На основании лабораторных исследований, известно, что всхожесть семян в условиях избытка тяжелых металлов в среде зависит от токсичности металла, его концентрации, а также вида растений (Ваулина и др.,1978; Мельничук,1990; Titov et at.,1996).

На увеличение загрязнения питательной среды кадмием оба сорта реагируют снижением всхожести, однако, у сорта Азарт, устойчивого к накоплению кадмия, снижение всхожести проявляется в меньшей степени.

Наиболее значимы различия реакции на загрязнение кадмием у сортов при слабощелочной реакции среды. ' Всхожесть значительно выше у сорта, способного накапливать меньше Cd в условиях среды, загрязненной этим металлом (табл. 9).

Таблица 9

Влияние присутствия кадмия в питательной среде и ее pli на

всхожесть семяп салата

Варианты Всхожесть, %

Алекс Азарт

рН=4,0 64 67'

контроль рН-5,8 54 73

рН=7,8 50 юо;

рН=4,0 25 46 .

С<1=30мг/л рН=5,8 17 40

рН=7,8 77 75

рН=4,0 25 75

|са=зоомг/л рН-5,8 33 58

рН=7,8 67 82

Таким образом, показатель всхожесть семян при рН=7*8 и концентрации С<1=300мг/л может служить критерием для отбора форм, устойчивых к накоплению кадмия.

Выводы

1. Природные экологические среды могут служ1ггь фоном для отбора овощных культур на уровень накопления большинства химических элементов при отборе форм, контрастно различающихся по селектируемому признаку.

2. Информативным фоном для отбора при селекции салата и шпината на устойчивость к накоплению кадмия и свинца является среда искусственно созданного загрязнения почвы кадмием и свинцом на уровне внесения 30 мг/кг почвы Сй(ЫОз)г и 300 мг/кт РЬ(Ы03)2

3. Включение в сеть испытания сразу нескольких фонов с разными уровнями загрязнения позволяет выявить образцы . со стабильным проявлением селектируемого признака в меняющихся условиях среды.

4. Среда искусственно созданного воздушного загрязнения кадмием и свинцом (СсЗ=50мг/л, РЬ=320 мг/л) является высокоинформативным фоном для . отбора при селекции салата

на устойчивость к некорневому (фолиарному) поглощению кадмия и свинца.

5. Отбор устойчивых к накоплению тяжелых металлов образцов салата и шпината можно вести по уровню содержания селена в продукции: высокое содержание селена проявляется у сортов с низким уровнем содержания РЬ и Cd,

6. Использование методов культуры in vitro для отбора устойчивых к накоплению кадмия сортов салата является эффективным при использовании концентрации кадмия ЗООмг/л и рН=7,8 по показателю всхожесть семян.

Практические рекомендации При селекционной работе, направленной на получение сортов овощных культур, обладающих устойчивостью к накоплению тяжелых металлов и со стабильным содержанием биологически ценных химических элементов в продуктивных органах, эффективно использование разработанной системы методов:

1) Для выявления форм, контрастно различающихся по селектируемому признаку:

- широкое экологическое испытание в условиях естественного

загрязнения тяжелыми металлами;

- оценка исходного материала на фонах искусственного загрязнения (внесение Cd(N03)2 и Pb(N03)-; в 1 кг почвы по 300 мг и 3 г соответственно);

- косвенный отбор устойчивых к накоплению тяжелых металлов образцов по уровню содержания селена;

- использование методов культуры in vitro при концентрации

кадмия в питательной среде 300 мг/л и рН=7,8 по показателю всхожесть сслиш.

2) При селекции салата на устойчивость к фол парному (некорневому) загрязнению кадмием и свинцом оценка исходного материала на высоконнформативном фоне искусственно создаваемого воздушного загрязнения этими металлами (С(1=50мг/л, РЬ=320 мг/л);

3) Для испытания селекционного материала па заключительных этапах селекции набор сред испытания с разными уровнями загрязнения.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Добруцкая Е. Г., Мусаев Ф. Б. Ушаков В. А., Горбунов А. В. Оценка среды природных экологических фонов в связи с отбором исходного материала tía стабильное содержание химических элементов в плодах томата // V Межд. симпозиум: Новые и негр. раст. и перец, их использования.- Пущино, 9-14 июня, 2003.- С. 286-289. .

2. Добруцкая Е.Г., Мусаев Ф.Б., Ушаков B.A., Краснолобова: О.В., Кривенков JI.B., Науменко Т.С. , Ляпунов С.М., Горбунов A.B., Ивлиев А.И. Межвидовое и межсортовое разнообразие овощных культур по химическому составу товарной продукции // Сб. науч. тр. ВН1ШССОК,- М: 2003,- Вып. 39.- С. 64-71.

3. Добруцкая Е.Г., Ушаков В.А., Горбунов A.B., Ляпунов С.М. Оценка среды природных экологических фонов в связи с отбором исходного материала на стабильное содержание химических элементов в продукции шпината Н Межд. научно-практ. конференция: Приоритетные направления в селекции и семеноводстве сельскохозяйственных растений в XXI веке (15-18 декабря 2003г.).-М.: 2003. - С. 265-270.

4. Добруцкая Е.Г., Ушаков В.А., Ивлиев А.И. Информативность искусственно созданных сред загрязнения кадмием и свинцом как фона для отбора салата при селекции на устойчивость к накоплению тяжелых металлов И V Межд. научно-практ. конференция: Интродукция нетрадиционных и редких растений.-Донской ГАУ, нос. Персиановский, 7-11 июня 2004. - С. 58-62.

5. Ушаков В.А„ Кривенков Л.В. Информативность среды фонов искусственного загрязнения кадмием и свинцом для отбора салата при селекции на устойчивость к накоплению тяжелых металлов. // Сб. мат. межд. науч. пр. конф.: Производство экологически безопасной продукции растениеводства и животноводства,- Брянск, 2004. - С. 304-309.

6. Добруцкая Е.Г., Краснолобова О.В., Ушаков В.А., Прозорова O.A., Суслова Л.В. Изменчивость биохимического состава шпината и салата на фоне загрязнения почвы кадмием и свинцом. // В печати.

-у / /

V est „a^AJtç

Типография ООО «Телер» 127299 Москва, ул. Космонавта йолкова, 12 Л клешня на полиграфическую деятельность ПД Jft 00595 Подписано в печать 14.01.2005 г. Формат 60x90 1/16. Тираж 100 экз. Бумага «Снегурочка» 1,5 печ.л. Заказ № П 20

Р-1 549