Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Системный анализ морозоустойчивости озимых культур

ВАК РФ 03.00.12, Физиология и биохимия растений

Автореферат диссертации по теме "Системный анализ морозоустойчивости озимых культур"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ РАСТЕНИЕВОДСТВА имени Н. И. ВАВИЛОВА

На правах рукописи

1 и им

ФЕДУЛОВ Юр и и Петрович

УДК 581.1:632.111:633.1:578.088.7

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ МОРОЗОУСТОЙЧИВОСТИ ОЗИМЫХ КУЛЬТУР

Специальность 03.00.12 — Физиология растений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

1994

Работа выполнена в, лабораториях биофизики, физиологии растений и устойчивости растений Краснодарского научно-исследовательского института сельского хозяйства им. П. П. Лукьяненко в 1974—1992 гг.

Официальные оппоненты: член-корреспондент РАСХН, доктор сельскохозяйственных наук, профессор Н. Н. Третьяков; доктор биологических наук, профессор Г. В. Удовенко; доктор биологических наук М. В. Архипов.

Ведущая организация — институт физиологии растений им. К. А. Тимирязева РАН.

Защита состоится С}0С*1994 г. в «'/^» часов

на заседании Специализированного совета Д 020.18.02 по присуждению ученой степени доктора биологических наук при Всероссийском научно-исследовательском институте растениеводства им. Н. И. Вавилова по адресу: 190000, г. Санкт-Петербург, Большая Морская, 44.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Всероссийского института растениеводства им. II. И. Вавилова.

Автореферат разослан

Ученый секретарь Специализированного с доктор биологических

Э. А. Гончарова

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Исследование адаптации растений к неблагоприятным факторам внешней среды Имеет особое значение для отечественной селекции, поскольку из-за расположения в зоне рискованного земледелия сельскохозяйственному производству_ необходимы сорта, сочетающие повышенную зимостойкость и засухоустойчивость с высокой урожайностью.

Одним из важнейших для отечественных сортов озимых культур адаптивных признаков является морозоустойчивость. Несмотря • на огромное количество работ, посвященных этому признаку, до сих пор отсутствует физиологическое обоснование селекции озимых культур на морозоустойчивость, без чего нельзя эффективно формировать это свойство растений ни генетическим, ни агротехническим путем.

В первую очередь это связано с односторонним рассмотрением сложного процесса формирования морозоустойчивости, находящегося под контролем условий внешней среды и состоящего из множества взаимозависимых, генетически детерминированных этапов, протекающих практически на всех уровнях организации растения. '

Отечественные исследователи указывали на необходимость изучения функциональных взаимосвязей морфологических, физиологических и биохимических признаков, определяющих устойчивость на молекулярном, клеточном, органйзменном и ценотическом уровнях (Колоша, 1975, 1979. Удовенко, 1979, УрманцеВ, 1979, Трунова, 1984), однако, до настоящего времени остается актуальным комплексное изучение физико-химических й физиологических признаков, связанных с морозоустойчивостью, которое могло бы послужить базой для системного анализа этого признака и углубления на его основе понимания закономерностей формирования этого важнейшего свойства озимых растений, как в онтогенезе, так и в филогенезе.

Такие комплексные исследования, требующие изучения большого количества параметров у многих генотипов невозможны без развития специальных физико-химических подходов исследования растений, ориентированных на решение задач экологической физиологии, #использования автоматизированной регистрирующей аппа-

ратуры, привлечения современных математических методов анализа данник.

Внедрение физико-химических подходов в эколого-физиологические исследования с одной стороны привело к углублению понимания процессов адаптации растений, к выявлению особой роли мембранных структур в обеспечении устойчивости растений к стрессам, а с другой - дало мощный толчок развитию методов оценки состояния растений,.чего требовала селекционная практика. Однако, первые успехи, выразившиеся в появлении нескольких десятков авторских свидетельств на способы оценки устойчивости, не получили широкого развития, а причины "отказа" этих методов при оценке больших наборов генотипов требуют исследования.

Цель и задачи исследования. В связи с вышеизложенным, целью наших исследований, начатых в 1974 году,было системное исследование морозоустойчивости озимых культур с использованием фи-^викю-хишческих параметров растений и разработка физиологических основ для повышения морозоустойчивости этих культур селекционным путем, а также создание методов массовой оценки хозяйственно-ценных признаков сельскохозяйственных растений.

Главными задачами, на которых было сконцентрировано наше внимание были следующие:

1) усовершенствовать существующие и создать новые методы определения уровня морозоустойчивости и на их основе разработать принципы технологий массовой оценки селекционного материала на устойчивость к низким температурам;

2) изучить возможности массовой оценки морозоустойчивости с использованием различных физико-химических и физиолого-мор-фодогических параметров;

3) разработать объективные способы оценки и сравнения различных методов определения уровня устойчивости растений;

4) изучить сортовую специфичность физико-химических параметров озимых злаков различной морозоустойчивости;

б) разработать адекватные методические подходы к изученш сложных адаптивных признаков с использованием современного математического аппарата на примере морозоустойчивости;

6) на основе комплексного изучения физико-химических и фиэиолого-морфологических параметров провести системный анализ признака морозоустойчивости у разных видов озимых культур.

Основные положения, выносимые на защиту:

- одним из адекватных математических методов описания сложных адаптивных признаков является факторный анализ, позволяющий разложить этот признак на компоненты, описывающие его с высокой степенью достоверности и имеющие биологически содержательную интерпретацию;

- адаптивный признак можно представить в виде сложной динамической системы, состоящей из отдельных компонент, которая изменяется под действием внешней среды;

- мевду видами и сортами озимых культур существуют различия в структуре адаптивного признака;

- в ходе вегетации и в процессе селекции происходит качественное изменение адаптивного признака, выражающееся в изменении его структуры, направленное на наиболее эффективное использование ресурсов среды;

- предложены принципы технологий отбора морозоустойчивых сортов, включающие новые методы дифференциации генотипов, привязанные к условиям региона, способы оценки и сравнения различных методов определения устойчивости растений по разрешающей способности и профилю отбора; автоматизированные системы для массового измерения физико-химических параметров растений, параметры оптимизации условий измерения;

Научная повизна. Усовершенствованы известные и созданы новые методы отбора морозоустойчивых генотипов. Разработаны принципы и конкретные методы для сравнения разрешающей способности разных методов оценки селекционного материала Впервые предложен системный подход к исследованию сложных адаптивных

признаков, основанный на использовании факторного анализа и позволяющий разделить сложный адаптивный признак на отдельные компоненты и рассчитать их количественные значения для отдельных генотипов. Впервые на примере морозоустойчивости показаны качественные изменения адаптивного признака как в ходе вегетации, так и р процессе селекции.

Практическая значимость работы. Представление признака морозоустойчивости в виде компонент-позволит правильно выбирать стратегические направления в селекции озимых культур за счет компонент, не связанных отрицательно с продуктивностью.

Разработанный метод сравнения способов оценки устойчивости может быть применен для создания новых эффективных методов

-отбора—селекционного—материала'... _ Предложенные. спосоОы отбора_

морозоустойчивых генотипов озимой пшеницы могут быть испольэо-, ваны в селекционном процессе.. Созданные комплексы аппаратуры для массовой регистрации физико-химических параметров селекционного материала, могут быть использованы в качестве отдельных модулей при создании автоматических линий оценки сельскохозяйственных растений на устойчивость.

Апробация работы. По результатам диссертации опубликовано более 40 работ. Результаты исследований докладывались на республиканской конференции "физиологические основы повышения продуктивности и устойчивости зерновых культур" (Алма-Ата, 1980) , Всесоюзных конференциях "Приборное оснащение и •автоматизация научных исследований в биологии" (Кишинев, 1981), "Проблемы и пути повышения устойчивости растений к болезням и экстремальным условиям среды в связи с задачами селекции" (Ленинград, 1981), "Проблемные вопросы автоматизации производства" (Краснодар,1981), "Проблемы фотоэнергетики растений и повышение урожайности" (Львов, 1984), "Физиолого-гене-тические проблемы интенсификации селекционного процесса" (Саратов, 1983), "Фиэиолого-генетические основы продуктивности сельскохозяйственных культур и проблемы селекции на уетойчи- ■ вость к неблагоприятным факторам среды" .(Одесса, 1988), Первом Всесоюзном биофизическом съезде (Москва, 1082), 1-й Всесоюзной конференции по применению физиологических методов в селекции растений (Жодино, 1983), Международной научной конференции ■

"Теоретические и прикладные аспекты селекции и семеноводства пшеницы, ржи, ячменя и тритикале" (Прага, 1986), Всесоюзном симпозиуме "Биохемилюминесценция в медицине и сельском хозяйстве" (Ташкент, 1986), Втором съезде Всесоюзного общества физиологов растений (Минск, 1990), рабочих совещаниях секции физиологии, биохимии и биофизики Отделения растениеводства и селекции ВАСХНИЛ (Москва, 1987, Ленинград, 1988, Ялта, 1990, 1991), рабочем совещании физиологЬв, биохимиков-, биофизиков-генетиков и селекционеров "Методы поточной оценки устойчивости растений к абиотическим факторам среды (засухе, Морозу, засолению и др.)" (Ленинград, 1986), Международном рабочем совещании СЭВ "Изучение физиолого -генетических основ продуктив-. ности и устойчивости зерновых культур к стрессовым воздействиям" (Одесса, 1989), на заседаниях секции прикладной и частной физиологии растений при Всесоюзном обществе физиологов растений (Москва, 1989), на Координационном совете по методам оценки устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды (Ленинград, 1988, МЬсква, 1989, Ялта, 1990), на секции современных методов селекции й биотехнологии при Президиуме ВРО ВАСХНИЛ (Саратов,1986), на Всесоюзных, семинарах "Генётико-физиологические аспекты селекции озимых культур на устойчивость к абиотическим факторам внешней среды" (Мироновка, 1989),"Новые генетические и физиоЛого-бйохимические методы селекции сельскохозяйственных культур" (Москва, 1983), на Всесо-,^ юзном совещании "Физиологические основы селекции зерновых культур" (Москва, 1985), на заседаниях Ученого Совета КНИИСХ (1975-1992).

В диссертаций изложены материалы исследований за период с 1974-1992 гг., проводившиеся главным образом по государственным программам О. Ц. 032. , 0.51.03. , 0. СХ. 03.05.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 9 глав, заключения, выводов, списка литературы (1том) и приложения (2 том). Материал изложен на 596 страницах, включая 295 страниц текста, 74 таблицы, 47 рисунков и 63 приложения. Список используемой литературы содержит 442 отечественных и 299 иностранных наименований работ.

- 6 -

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ПОДХОДЫ К ИССЛЕДОВАНИЯМ

Основные исследования проведены на растениях озимой мягкой и твердой пшеницы и озимого ячменя, выращенных в естественных условиях. Необходимость несколько раз за время осек-не-зимне-весенней вегетации оценивать 30-100 генотипов пшеницы и 30- 80 генотипов ячменя потребовала существенного усовершенствования известных и создания принципиально новых способов оценки ряда физико-химических параметров.

Прямая оценка морозоустойчивости проводилась в морозильных камерах С814 (фирмы. Brune, Канада) при прогнозировании режимов промораживания по методу Личикаки (1977) в нашей модификации.

-Регистрация-температурных—зависимостей—послесвечения—и—

флуоресценции осуществлялась на созданной в нашей лаборатории установке, позволяющей регистрировать термограммы послесвечения и. флуоресценции одновременно у 34 образцов за один цикл

изменения температуры от +25°до -25°0 (Евтушенко, Ткачев, Фе-дулов, 19816).

Для изучения реакции электрических параметров тканей на различные стрессы были разработаны автоматизированные системы измерения, в том числе и на базе микро-ЭВМ Электроника-60, позволяющие проводить измерения электрических параметров растений у 96 образцов в одном эксперименте (Евтушенко, Ткачев, Федулов, 1981а, б).

Для оценки состояния клеточных мембран был разработан алгоритм и программы для расчета их относительных коэффициентов проницаемости, который вычислялся на основе регистрации выхода электролитов из тканей с помощью автоматизированных цифровых мостов переменного тока.

Оценка состояния пигментной системы проводилась по разработанной нами методике (Маймистов, Федулов, 1988).

Для обработки экспериментальных данных на ЭВМ ЕС1023, СЫ 1630, PC/AT 286 использовали программы корреляционного, регрессионного, дисперсионного и ортогонального факторного анализа.;

Для подбора оптимальных условий, дифференцирующих сорта по признаку морозоустойчивости и для сравнения разрешающей

способности'различных методов на основе теоретического анализа нами был разработан критерий сравнения, количественно характеризующий способность метода дифференцировать различные по устойчивости генотипы, чувствительный к точности измерения параметра и к степени линейности связи физико-химического параметра с морозоустойчивостью, названный нами коэффициентом, дифференциации -

- (5ф/3сл>е~,1йР1

где Р = [(Р3 - Р2)/(Р2 - Р1)3*[(х2 - х1)/(х3 - х2)],

Pj.P2.P3 - значение физиологического параметра у неустойчивого, среднеустойчивого и высокоморозоустойчивого сорта-индикатора, Хр}^,}^ - процент выживаемости слабо-, средне- и высокоустойчивого сорта-индикатора, Зф - факториальная дисперсия, где фактор - генотип; Зсд - случайная дисперсия.

Для более точной количественной оценки области применения и возможностей метода наш был разработан способ сравнения данных прямого промораживания и испытываемого метода, заключающийся в сравнении рангов сортов по морозоустойчивости, определенных прямым и исследуемым методом на разных интервалах выживаемости (0-10%, 11-20% и г. д.)

пи- к о Зп - (1/к)£Ч1?п-Вр)2

ш

где - ранг сорта по проценту выживаемости, Нр - ранг сорта по косвенному параметру, к - число сортов на данном отрезке ряда (например 11-20%), ш - ранг генотипа с минимальным процентом выживаемости на данном отрезке.

Представленные графически значения Зп для своих интервалов выживаемости дают кривые, которые мы назвали профилями отбора (см. рис. 3).

3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ МЕТОДОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ МОРОЗОУСТОЙЧИВОСТИ ОЗИМЫХ КУЛЬТУР

Проведенное нами исследование фотоиндуцированиой хемилю-минесценции листьев озимых культур имеет следующее особенности

по сравнению с описанными ранее (Китлаев, 1969, 1971. Джану-мов, 1971, Джанумов и др., 1971, Веселовский, Тарусов, 1978):

- во-первых, впервые проведено систематизированное многолетнее изучение связи уровня морозоустойчивости и параметров термограмм послесвечения;

- во-вторых, в исследования были включены культуры разного геномного состава, причем у двух из них, у твердой пшеницы и ячменя, согласно проведенному нами анализу литературы, параметры термограмм, послесвечения никогда не исследовались;

- в-третьих, для изучения было отобрано значительное число (несколько десятков).генотипов озимой пшеницы и озимого ячменя;

- в-четвертых, исследование' проводилось в ходе онтогенеза растений-в естественных условиях.

Озимые мягкие пшеницы в начале Вегетации, после прохоаде-ния закаливания имели .термограммы, для которых характерно двухфазное затухание свечения после достижения хорошо выраженного максимума (1м): . сначала послесвечение затухает с понижением температуры медленно, а затем резко (рис. 1,а). С усилением закалки температурная зависимость затухания послесвечения . при отрицательных температурах ослабевает, а фаза быстрого падения свечения не наблюдается вплоть до -23..-25°С (рис. 1,а).

Общей закономерностью в характере изменений термограмм в ходе перезимовки пшениц является появление низкотемпературного плато послесвечения к концу перезимовки (рис. 1,6)> При этом температура резкого падения послесвечения понижается, и, как правило, совпадает с температурой максимума послесвечения (tm), и эти изменения начинаются раньше у солее скороспелых сортов, чем у позднеспелых.

Описанные выше особенности температурных зависимостей послесвечения обусловлены тем, что в зимний период, когда листья озимой пшеницы адаптированы к низким температурам, сначала происходит замерзание межклеточной воды (Самыгин, 1974, Olian, Smith, 1981). Увеличение количества межклеточного льда вызывает отток воды из цитоплазмы и ее обезвоживание. Это приводит к блокированию донорной стороны ФСИ, связанной с транспортом электронов от воды, что в овою очередь уменьшает интен-

Послесвечение, отн. единицы

Послесвечение, отн. единицы

Л А *

-15-10-5 0 5 10 15 20

Температура, С

Рис.1. Терыограммы послесвечения у слабоморозоустойчивого сорта Скороспелка 35 (1) и V морозоустойчивого сорта Краснодарская 39 в начале (А) и в конце (Б) перезимовки.

сивность ФИХЛ (Веселова и др., 1980). Большая водоудерживаюшдя способность морозоустойчивых сортов позволяет им дольше й на более высоком уровне поддерживать оводненное состояние цитоплазмы, и, следовательно, электронный транспорт в хяоропластах. Фаза резкого падения свечения наступает с разрушением хлороп-ластов вследствие образования внутриклеточного льда.

Появившиеся к весне листья более оводнены, у них сильнее развита сосудистая система, внутриклеточная вода связана- водными порами с межклеточной водой. При достижении критической температуры происходит практически одновременное резкое замерзание как внутри-, так и внеклеточной воды, что приводит к •разрушению хлоропластов, и резкому падению свечения. Это подтверждается наличием криоскопического повышения ФИХЛ (Джанумов и др., 1971) на весенних листьях, всегда непосредственно предшествующего резкому падению свечения, которое мы регистрировали на отдельных листьях в режиме непрерывной регистрации послесвечения. . Таким образом, температура, при которой наблюдается резко? падения послесвечения является температурой переохлаждения внутриклеточной воды.

- 10 -

Таблица 1. Связь параметров термограмм послесвечения с морозоустойчивостью озимой мягкой пшеницы в период максимальной закалки растений (Средние коэффициенты корреляции по годам).

Энергия активации**

• ^ Е20 Е0 Е-10

Сорта- -0.76 0.08 0.36 0.76 -0.13 -0.01 -0.76

индикаторы +0.04 ¿0.09 +0.07 +0.04 +0.19 +0.2 +0.04 (10 генотипов)

Расширенный -0.34 -0.03 0.15 ' 0.44 0.08 0.12 -0.39

набор сортов +0.06 +0.07 +0.08 +0.07 +0.09 +0.07 +0.07 (30-85 образцов)

* Среднее за 1978-83 и 1985-89 гг.__•

** Среднее за 1978-83 гг..

Средние за ряд лет коэффициенты корреляции показывают, что наибольшие связи с морозоустойчивостью сортов-индикаторов имеют температура наступления максимума послесвечения, Ьт,

уровень свечения при температуре на 2-3°С ниже и энер-

гия активации низкотемпературного затухания послесвечения.

В отличие от данных Китлаева, полученных на озимой пшенице (1971), даже на контрастных по морозоустойчивости сортах не удалось обнаружить достоверной связи между максимальным уровнем свечения при низкой температуре I и морозоустойчивостью.

При переходе к расширенному набору сортов коэффициенты корреляции всех параметров термограмм с морозоустойчивостью уменьшаются, причем наиболее часто проявляет достоверную положительную связь с морозоустойчивостью уровень свечения при температуре на 2-3°С ниже Ьт.

Озимые твердые пшеницы, как и мягкие, минимальный уровень • послесвечения при т-ре + 20°С, (120) имеют в начале перезимовки, причем у твердых пшениц этот параметр был ниже. С середины зимы при отсутствии морозов повреждающей силы наблюдается возрастание 120 в 1.5-2 раза, сильнее выраженное у твердой пшеницы.

- Ii -

Достоверных различий между растениями двух видов пшениц по температуре наступления максимума свечения (tm) найдено не было, тогда как по свечению при дифференцирующей т-ре ( -11,... -15°С) различия наблюдалась либо в первой половине зимы, когда растения были хорошо закалены, либо после действия мороза, причем слабее светили листья твердых пшениц, что согласуется с ' их более низкой морозоустойчивостью. В конце зимы и в самом начале весеннего отрастания в этом температурном интервале наблюдается более интенсивное свечение листьев твердой пшеницы.

Наиболее стабильным различием в температурных зависимостях послесвечения анализируемых видов пшениц является бо- ' лее. слабая зависимость послесвечения от температуры у твердых пшениц в интервале температур +2- -3°С, что, по-видимому, является их видоспецифической особенностью.

Энергия активизации затухания послесвечения в области температур -9—13°С отражает процесс льдообразования в тканях растений, и наблюдаемые, как правило, более высокие энергии активации послесвечения у твердых пшениц говорят о более быстром образовании внутриклеточного льда у этого вида пшениц.

В отличие от мягкой пшеницы у Тг. durum температура максимума послесвечения и температура переохлаждения, как правило, не коррелируют с морозоустойчивостью. Нет однозначной корреляции морозоустойчивости с интенсивностью послесвечения при температурах на 2-3°С ниже I , тогда как у мягкой пшеницы эта связь положительна и наиболее высока

Озимый ячмень в начале зимы имеет более высокие, чем у озимой пшеницы как максимальный уровень послесвечения при низкой температуре (Im), так и послесвечение при. комнатной температуре Clgg)- В течение зимней вегетации изменение этих параметров происходит в зависимости от уровня зимних стрессов: в мягкие зимы (1987,1989г.) у обоих культур происходит нарастание выхода послесвечения, тогда как в более суровые (1991 г.) наблюдается существенное снижение уровня послесвечения после действия стрессов, причем листья озимого ячменя сильнее реагируют на тот же уровень стрессов, уменьшая выход послесвечения в гораздо большей степени, чем озимая пшеница.

В течение перезимовки температура максимума послесвечения у ячменя была на 1-3°0 ниже, чем у озимой пшеницы, что является парадоксальным, учитывая гораздо меньшую морозоустойчивость этого вида.

В отличие от озимой пшеницы среди генотипов озимого ячменя даме в начале перезимовки наблюдаются, как правило, термограммы с плато и резким затуханием послесвечения при температурах на 1,5-3°С ниже низкотемпературного максимума В середине и в конце перезимовки такой вид имели термограммы всех исследованных генотипов. Подобный характер термограмм листьев озимого ячменя свидетельствует о большей способности к переохлаж-

_дению_воды_в_листм5^_эк1^улмуры^в^1ервую половину зимней

вегетации по сравнению с озимой пшеницей. Это и объясняет более низкую температуру наступления максимума послесвечения у ячменя по сравнению с пшеницей.

Связи между параметрами термограмм послесвечения и морозоустойчивостью этой культуры нестабильны как по годам, так и по периодам вегетации, даже на наборе контрастных по морозоустойчивости генотипах.

Таким образом, сравнительный анализ параметров послесвечения у 3-х изученных нами культур разного геномного состава, показывает что гексаплоидная мягкая пшеница в наименьшей степени изменяет параметры послесвечения под действием стрессов и имеет наиболее стабильные и высокие связи этих параметров с морозоустойчивостью, особенно в начале перезимовки:

У тетраплоидной твердой пшеницы эти связи слабее, и менее стабильны, она сильнее реагирует на зимние стрессы.

У озимого ячменя связи морозоустойчивости с параметрами термограмм послесвечения еще слабее., и проявление их менее стабильно, чем у озимых пшениц, а одним из элементов защиты фотосинтетического аппарата этой культуры от низких температур в течение всей перезимовки является переохлаждение внутриклеточной воды.

Учитывая, что достоверные корреляции морозоустойчивости с параметрами послесвечения у твердой пшеницы и ячменя наблюдаются в случае поврездения их листьев морозами, следует приз-

нать, что наиболее вероятная причина слабой связи параметров послесвечения и морозоустойчивости - неспособность большинства генотипов этих культур создавать в высокой степени закаленное состояние цитоплазмы.

Изученные нами параметры термограмм отражают с одной сто- . роны состояние цитоплазмы (температура резкого падения свечения, которая хорошо регистрируется в случае переохлаждения, и не всегда в случае закаленного состояния листьев), а с другой характеризуют толерантность хлоропласта - степень его работоспособности в стрессовых условиях (энергия активации спада свечения после низкотемпературного максимума, интенсивность све- . чения при температурах ниже tm).

ГЬследние параметры определяются состоянием самого хлоропласта, его способностью адаптироваться к низким температурам, поддерживать свой водный статус, осуществлять работу фотосинтетического аппарата в стрессовых условиях. Именно они связаны не только с устойчивостью самих хлоропластов, но и с вкладом хлоропластов в устойчивость всего растения, т. к. их активность обеспечивает приток энергии, необходимой при адаптации для метаболических и структурных перестроек, а после действия стрессов - для обеспечения репарационных процессов.

Таким образом, являясь индикаторами морозоустойчивости целого растения лишь в определенных условиях, параметры тер-' мограмм послесвечения характеризуют устойчивость одной из важнейших систем, обеспечивающей выживание всего растения при действии низких температур, и их можно выделить в отдельную подсистему в составе общей устойчивости растения.

4. СВЯЗЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТКАНЕЙ ОЗИМЫХ КУЛЬТУР С ИХ МОРОЗОУСТОЙЧИВОСТЬЮ

Исследование электропроводности тканей, ' по которой можно судить о реакции клеточных мембран на стрессовые воздействия (Fensom, 1966, Jenkins, Roffey, 1974, Hayden et al. , 1972, My-сич, Коряелли, 1980), показали, что генотипы пшеницы уже с начала перезимоЕки различаются по этому параметру (табл.2), при- ' чем у морозоустойчивых сортов электропроводность тканей на

- 14 -■

Сила постоянного тока через ткани сортов-индикаторов морозостойкости озимой пшеницы до и после промораживания

%

Выживания

*пр Jnp/[K

Русалка 4.8 8.33

Предгорная 2 4.8 7.12

Ранняя 12 8.8 6.39

Безостая 1 27.0 4.54

Краснодарская 46 32.0 5.79

Мироновская 808 65.'3 5.34

Саратовская 3 62.0 4.91

_Рдесская_1б_75.2 4. 97

Краснодарская 39 69.6 .Альбидум 114 98.8

НСР Коэффициент корреляции с морозоустойчивостью

6.8

Сортов индикаторов Всего набора

4.93 3.77 0.53

-0.82

-0.50

15. 77 12. 98 12. 83 7. 26 7. 02 6. 92 1 4.78

5. 86 3. 99 1.63

-0. 88

-0. 63

1. 89 1. 82 .2. 00 1. 60 1. 21 1. 30

0. 97

1. 19

1. 19 1. 06 0. 28

-0. 88

-0.-49

постоянном токе во все годы исследований была в 2-2.5 раза ниже, чем у неустойчивых.

Промораживание вызывает улучшение дифференциации сортов по морозоустойчивости, коэффициент Кд возрастает в 2-8 раз, также происходит увеличение коэффициента корреляции между морозоустойчивостью и величиной тока через ткани (табл.2,3).

Одной из непосредственных первичных причин разрушения клеточных мембран под действием таких различных стрессовых факторов как замерзание внеклеточной воды (Levitt, 1972), обезвоживание растений при засухе (Floweres, Leo, 1986), засоление (Удовенко, 1977) является'значительное повышение'при-мембранных концентраций ионов, вызывающее при достижении критического уровня переход клеточных мембран в новое конформационное состояние с повышенной проницаемостью, после чего могут наступить необратимые изменения и гибель клетки (Hope, Walker, 1961, Конев и'др., 1970, Федулов, 1974).

- 15 -'

Таблица 3. Связь морозоустойчивости с электропроводностью тканей озимой мягкой пшеницы-до и после промораживания (Средние коэффициенты корреляции за 1978-80 гг.)

Сорта-индикаторы

(10 генотипов) -0.82+0.04 -0. 86+0.02 -0.77+0.05 Расширенный набор

сортов (32-37 ге- -0.42+0.05 -0.52+0.07 -0.44+0.02 нотипов)

С другой стороны, такой переход можно вызвать пропускани- ' ем тока через клетку. Сила воздействия на мембрану (концентрация солей, напряжение импульса), необходимая для ее перевода в новое конформационное состояние, будет определятся генотипом растения и его физиологическим состоянием,

Проведенные нами подробные исследования (Фздулов, Третьяков, 1984), показали, что зависимости сопротивления ткани и скорости выхода электролитов из нее от величины прилагаемого к образцу импульса тока имеют Э-образный вид (рис. 2А).

Наклоны прямых, описывающих взаимосвязь этих параметров в координатах Хилла существенно выше единицы, что свидетельствует оь кооперативной природе изменения состояния мембран под действием импульса тога (рис. 2Б), причем более высокие коэффициенты Хилла у морозостойкого сорта Краснодарская 39 говорят о более прочной взаимной связи элементов клеточных мембран у этого сорта по сравнению со слабозимостойким сортом Ранняя 12.

Это и обусловливает дифференциацию по электрическим параметрам различных по морозоустойчивости генотипов после пропускания через их ткани импульсов постоянного тока (табл.4).

В наших экспериментальных условиях сопротивление узла кущения (Я.) является в определенной степени интегральным пара-

К

мэтром морозоустойчивости, включающим косвенную оценку интенсивности протекания метаболических процессов, обуславливающих нарастание биомассы, оценку водного статуса тканей и состояния мембранной системы в момент измерения.

Степень изменения сопротивления тканей закаленных расте-

Сопротивление

Рис. 2. А. Зависимость сопротивления узлов кущения от напряжения импульса пропускаемого тока С и) у • слаСомороэоустойчи-вого сорта Ранняя 12 (1) и морозоустойчивого сорта Краснодарская 39 (2). Б. То же в координатах Хилла: Х=1е(и/и0 5); У-1д[(К-Р1пт)/(Кпш-Ю], где и0 5 - напряжение, при котором сопротивление уменьшается вдвое, I? - сопротивление ткани после пропускания тока, и Кшх - соответственно минимальное и

максимальное сопротивление ткани в данной серии опытов.

ний озимой пшеницы при действии на них постоянного тока зависит от их морозоустойчивости.. После воздействия импульса постоянного тока морозоустойчивые сорта, прошедшие закалку, но не подвергшиеся действию повреждающих отрицательных ■ температур, меняют свои электрические параметры в меньшей степени, чем слабоустойчивые сорта (табл. 4). Это приводит к усилению дифференциации сортов различной морозоустойчивости по их электрическим параметрам и увеличению коэффициента корреляции между электрическими параметрами и морозоустойчивостью (табл. 4К

Как видно из типичных профилей отбора (рис.3) морозоустойчивых сортов по сопротивлению стеблей после обработки импульсами электрического тока и по электропроводности после промораживания, наименьшую ошибку разработанные методы дают при определении морозоустойчивости слабозимостойких сортов, несколько большая ошибка наблюдается при оценке наиболее морозоустойчивых сортов и максимальная ошибка отмечается при определении морозоустойчивости среднеустойчивых сортов, что позволяет с помощью этих методов вести надежную отбраковку из популя-

Таблица 4. Изменение сопротивления тканей'зоны узла кущения у сортов индикаторов морозоустойчивости после пропускания через них импульса постоянного тока (ком)

Rk R50 R120 Rk/R60 Rk/R120

1. Русалка 20.6 9.6 5.3 2.15 3.89

2. Ранняя 12 16.6 8.0 4.9 2.08 3.39

3. Кавказ 18.9 11.0 7.7 1.72 2.45

4. Безостая I 21.0 12.5 8.6 1.68 2.44

5. Краснодарская 46 22.9 12.0 8.8 1.91 2.60

6. Мироновская 808 28.5 13.8 8.8 2. 07 3.24

7. Саратовская 3 26.2 ■ 17.4 10.3 ■ 1.51 2.54

8. Краснодарская 39 27.6 18.9 13.5 1.46 2.04

9. Одесская 16 33.5 18.8 12.2 1.78 2.75 10. Альбидиум 114 28.3-19.7 15.7 1.44 1.80 Коэффициент корреляции

морозоустойчивостью

Сортов- индикаторов 0.80 0.89 0.92 -0.73 -0.79

Всего набора (37 генотипов)О. 51 0.59 0.61 -0.48 -0.51

Коэффициент дифференциации 20.1 70.8 125.7

щш-наименее морозоустойчивых генотипов.

Метод оценки морозоустойчивости по электрическим параметрам тканей после удара (А. с.N865228) был более надежен и в несколько раз более производителен, чем оценка морозоустойчивости по электрическим параметрам на постоянном токе.

У озимой твердой пшеницы, также как и у мягкой, в течение зимней вегетации происходит снижение сопротивления тканей стебля, связанное прежде всего с нарастанием биомассы, при этом условное удельное сопротивление (= Рк. т, где -сопротивление, а ш - масса образца) меняется в гораздо меньшей' степени, причем этот параметр ниже у озимых твердых пшениц.

Для твердых пшениц при действии более низкого напряжения (40-50 в) характерно меньшее изменение сопротивления тканей, чем у мягких пшениц, тогда гак при высоких напряжениях прикладываемого тока, ткани твердой пшеницы повреждались сильнее.

Связь электрических параметров тканей твердой пшеницы с морозоустойчивостью нестабильна как по годам, так и по периодам

с> 40 во и Гоо

Ппоцент выживаемости 'ис.З. Профили отбора геноти-

Рис.З.'Профили отборе нов озиыои пшеницы по электропроводности после промораживания (1) и по сопротивлению после удара токоы (2).

Средний квадрат

разности рангов вегетации и намного слабее,

' чем у озимых мягких пшениц,

несмотря на то, что обработка тканей импульсами постоянного тока вызывает усиление связи электрических параметров с морозоустойчивостью.

У озимого ячменя постепенное снижение электрического сопротивления тканей в ходе перезимовки, связанное с нарастанием биомассы, отмечается только в менёе суровые зимы. При усилении морозов у растений ячменя наблюдается гораздо более сильное, чем у озимой пшеницы, снижение электрического сопротивления тканей стебля, как абсолютного, так и удельного, которое увеличивалось' после прекращения морозов.

При действии импульса тока электрические параметры растений ячменя изменяются гораздо сильнее, чем у озимой пшеницы, причем различия меаду. этими культурами по электрическим параметрам увеличиваются при усилении стрессового воздействия, что, как и в случае твердых пшениц, говорит о меньшей устойчивости клеточных мембран у ячменя, чем у мягкой пшеницы.

У озимого ячменя электрические параметры тканей связаны с морозоустойчивостью намного слабее, чем у озимых пшениц, в отдельные годы (1987, 1988) эти связи не проявляются даже на сортах контрастной морозоустойчивости.

Наложение Дополнительного стресса на растения, прошедшие закалку, приводит к усилению различий между сортами различной морозоустойчивости по электрическим параметрам. При этом важно отметить, что улучшение дифференцировки может вызываться наложением стрессов различной природы - в случае наших исследований это были низкие температуры, специфический стрессор, - и обработка тканей растений электрическим током, - нехарактерный

для растений стресс, с которым они не встречались в природе.

Для всех исследованных электрических параметров и видов озимых выполняется одна закономерность: с расширением числа исследуемых генотипов от набора 8-10-контрастных по морозоустойчивости генотипов до нескольких десятков образцов, коэффициент корреляции электрических параметров с морозоустойчивостью падает.

Судя по профилям отбора (рис.3) это происходит вследствие больших расхождений в оценках морозоустойчивости прямыми и косвенными методами у группы среднезимостойких сортов.

Поскольку молекулярные механизмы повреждающего действия низкой температуры, электрического тока, повышенных концентраций солей могут быть общими, и связаны с устойчивостью клеточных мембран, можно предполагать, что в ходе закалки растение приобретает некоторый уровень неспецифической устойчивости -т. е. устойчивости к любым или большинству стрессов.

Сравнение разных видов озимых, имеющих генотипическую вариабельность по морозоустойчивости, показало, что у исследованных видов связь их уровня морозоустойчивости с электрическими параметрами их тканей разная: наиболее сильно она выражена у озимых мягких пшениц, и значительно слабее у озимых твердых пшениц и озимого ячменя. Это может свидетельствовать, что у высокоморозоустойчивых генотипов озимой мягкой пшеницы существуют генетические системы, обусловливающие.протекание физиологических процессов, которые при формировании высокоморозоустойчивого состояния существенно влияют и на электрические параметры тканей. Поскольку у исследованных различающихся по морозоустойчивости видов озимых разная реакция на возрастание уровня электрического стресса, Можно полагать, что эти процессы связаны с формированием неспецифической устойчивости клеточных мембран.

. Таким образом, исследование генотипической специфики электрических параметров, позволяет сделать вывод, что геноти-пические различия электрических параметров озимых культур обусловлены формированием высокозакаленного состояния, отражением которого является развитие неспецифической устойчивости клеточных мембран.

- 20 -

5. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОЦЕНКИ ПРОНИЦАЕМОСТИ КЛЕТОЧНЫХ МЕМБРАН ОЗИМЫХ КУЛЬТУР ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИХ МОРОЗОУСТОЙЧИВОСТИ В течение перезимовки как у ячменя, так и у пшеницы происходит увеличение проницаемости клеточных мембран» особенно заметное с началом весеннего отрастания (табл. 5).

Таблица 5. Изменение проницаемости клеточных мембран, Р, ■ озимой пшеницы и ячменя в течение перезимовки (среднее за 1987-1989 гг., Р*(-10" 7)см3/сек)

Период перезимовки

Культура Начало Середина Конец

Мягкая пшеница 3.95+0.26 5. 35+0. 43 9. 0+0. 9

Ячмень 8.75+0. 61 9. 65+0. 72 9. 6+1. 2

Озимая пшеница имеет существенно Солее низкие уровни проницаемости клеточных мембран, чем ячмень, что согласуется с более низким уровнем метаболизма у этой культуры по сравнению с ячменем в течение зимней вегетации.

Более высокая проницаемость клеточных мембран ячменя согласуется и с большей повреждаемостью растений этого вида под действием электрического тока. Чем выше проницаемость мембран для ионов К+, тем ниже ее электрическое сопротивление (Норе, Walker, 1961). Вследствие этого, при пропускании тока через ткань, на клеточных мембранах растений ячменя будет более высокая плотность тока и они будут сильнее повреждаться, что и наблюдалось в наших экспериментах.

Достоверная связь морозоустойчивости озимой пшеницы с проницаемостью наблюдается лишь для набора сортов-индикаторов морозоустойчивости в конце перезимовки (гкорр=-0.63..-0. 80), когда клетки слабоморозоустойчивых сортов' имеют почти вдвое большую проницаемость(-12.10"7см3/сек), чем высокоморозоустойчивых сортов (-6. Ю'^сь^/сек), что обусловлено более ранним весенним отрастанием слабоморозоустойчивых сортов, входящих в набор сортов индикаторов. Об этом свидетельствует и повышенная проницаемость меток сорта Краснодарская 46

-7 Я

(-15.10 'см /сек), который по скороспелости в- данном наборе сортов стандартов уступает лишь Русалке и Ранней 12, а также закономерность найденная для тканей люцерны (Sulo,1991): чем' глубже в . покой уходил генотип, тем меньший наблюдался- Bbbtbif1 электролитов из его тканей.

У озимого ячменя достоверно в отдельные годы на наборе сор1-тов индикаторов отмечалась положительная связь между морозоустойчивостью и проницаемостью, которая может проявляться'как в начале (гкорр-0. 59), так и в конце перезимовки (гкорр-0.64), что может быть связано с более быстрой отдачей"водьг при'понижении температуры у генотипов с повтенной ;п!^нЩч"емосгью клеточных мембран.

С другой стороны, выход электролитов"п<5сле действия низких температур может быть сильным,' но не' сопровождаться гибелью клетки (Палта, Ли, 1983, Мусич, Корнелли, 1984, Zhang, Willison, 1988, 1990), поскольку репарационные процессы на мембране восстанавливают ее целостность после разрывов, вызванных замерзанием тканевой воды. В этом случае морозоустойчивость растения будет связана не с количеством вышедшего электролита, а со способностью репарационной системы . восстановить нанесенные стрессом повреждения.

У обоих исследованных нами культур увеличение числа исле- . дуемых генотипов снижает коэффициент корреляции между Уровнем морозоустойчивости и проницаемостью, клеточных мембран.

Различная реакция проницаемости клеточных мембран этих культур на зимНие стрессы еще раз показывает, что различия в морозоустойчивости озимого ячменя и.озимой пшеницы обусловлены • не просто различным уровнем протекания одних и тех же физиологических процессов, а могут определяться разными метаболическими процессами^

6. ИЗМЕНЕНИЯ ПИГМЕНТНОЙ СИСТЕМЫ У ОЗИМЫХ КУЛЬТУР В УСЛОВИЯХ ПЕРЕЗИМОВКИ НА СЕВЕРНОМ КАВКАЗЕ Одним из важных признаков устойчивости - обязательного качества для большинства отечественных культур (Шевелуха, 1983), является, как показали многочисленные исбледования,

прочность пигментных систем фотосинтетического аппарата (Рыбакова, 1972, Гапоненко, 1976, Кушниренко, Крюкова и др., 1981, Сапожников, 1964, Третьяков, Каменская, 1982, Шматько, Шведова, 1977, Ма№а*г, 1?ашс1аЗап, 1973,).

При достаточной закалке растений и в отсутствие сильных . зимних стрессов в течении зимы происходит накопление пигментов (табл. 6). При действии морозов происходит разрушение пигментного фонда, причем в большей степени у листьев ячменя (табл. 6, 1987 и 1991 годы).

В случае, когда наблюдается достаточно высокий уровень стрессов, содержание прочных пигментов достоверно выше у озимой пшеницы. • . '

Таблица 6. Изменение содержания пигментов у озимой пшеницы и ячменя в мягких (1988-1990 гг.) и жестких (1987, 1991 гг) условиях перезимовки.

Период перезимовки 1988-1990 гг.,

Хл А

Содержание пигментов, мг/г Хп В Каротиноиды

с. в. Хл А/Карот.

мягкие условия перезимовки •Ячмень

Начало 1.133+0.024 0.393+0.017 0.270+0.009 Середина 1.190+0.011 0.440+0.014 0.270+0.008 Конец 1.287+0.056 0.570+0.021 0.310+0.007

Пшеница

Начало 1.243+0.012 0.500+0.022 0.300+0.012 Середина 1.260+0.03 0.450+0.019 0.340+0.009 Конец 1.390+0.04 0.620+0.031 0.347+0.013

1987, 1991 гг., жесткие условия перезимовки

Ячмень

Начало 1.311+0.012 0.581+0.021 0.291+0.009 Середина 1.214+0.022 0.428+0,014 0.300+0.007 Конец 1.140+0.013 0.385+0.011 0.285+0.008

Пшеница

Начало 1.325+0.025 0.532+0.050 0.331+0.007 Середина 1.421+0.017 0.51440.062 0.393+0.007 Конец 1.293+0. 003 0.531+0. 025 0,352+0.009

4. 22+0.07 4. 34+0.06 4.18+0.08

4.15+0. 07 ■ 3. 69+0.05 4. 06+0. Об

4. 52+0. 09 4. 09+0,08 4. 08+0. 06

4. 07+0.073. 66+0. 08 3. 69+0. Об

- ЙЗ -

Доля прочных хлорофиллов (прочность хлорофиллов), всегда выше у пшеницы, за исключением 1988 года, когда, вследствие хорошей закалки действие зимних стрессов на пигментный аппарат ■ не проявлялось. Содержание каротиноидов оказалось наиболее стабильным параметром пигментных систем как пшеницы, так и яч- , меня, слабо реагирующим на стрессы. У озимой пшеницы наблюдалось более высокое содержание каротиноидов, при этом различия между видами сильнее были выражены в конце перезимовки, а содержание каротиноидов на единицу хлорофилла в хлоропластах пшеницы ниже. Учитывая . защитную роль каротиноидов (Burnett,. 1976) можно полагать, что у озимой пшеницы, как'вида, пигментный аппарат имеет более мощную защиту от стрессовых факторов на субхлороплаСтном уровне (Vasaatha et al., 1989).

Обнаруженные нами видовые различия в. содержании пигментов совпадают с широко описанной закономерностью: более устойчивые к стрессам растения в меньшей степени снижают содержание хлорофиллов под действием, стрессов . ( Шаловал, 1976, Рыбакова, 1976, Mathew, Ramadasan, 1973, Ravindran, Мепоп, 1981, ), имеют более высокое содержание прочносвязанных пигментов (Шаловал,' 1976), и более низкое отношение хлорофилл/ каротиноиды (Vasantha et al. , 1989).

Высокие коэффициенты корреляции морозоустойчивости, сортов -индикаторов пшеницы и ячменя и параметров Их пигментных аппа- ■ ратов наблюдаются не всегда, а лишь в отдельные периоды перезимовки, причем не удается- выделить параметры, наиболее стабильно связанные с морозоустойчивостью; при расширении набора генотипов наблюдается сильное снижение связи между этими параметрами.

Таким образом, в отличие от результатов, приводимых в литературе (Рыбакова, .1972, 1976, Шаповал, 1976), анализ данных по качественному и количественному содержанию пигментов в листьях зимующих растений не дал четкой внутривидовой дифференциации по этому признаку генотипов с различной морозоустойчивостью, что связано с более мягкими условиями перезимовки озимых культур на Северном Кавказе.

В связи с этим, по нашему мнению, параметры пигментных систем листьев несомненно являются важным компонентом устойчи-

. - 24 -

вости озимых растений, хотя и не могут служить самостоятельными диагностическими признаками на устойчивость генотипов к эк-• стремальным условиям внешней среды.

7. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ПРИЗНАКОВ МОРОЗОУСТОЙЧИВОСТИ ОЗИМЫХ КУЛЬТУР

Кзложещуе в диссертации экспериментальные реэультаты показали, что да использовании большого набора генрдопцв их морозоустойчивое^ .не удается надежно связать с каким-либо одциы физиологическим признаком- Это полностью .согласуется с современными теоретическими представлениями, согласно которым морозоустойчивость является .сложным комплексным .качеством растения, зависящим . о? целого ряда отдельных более простых биохимических, физиологических и .морфологических признаков •'(Левитт, 1972, 1980. Удоверко и др. ,' Д983, Трунова, 1984), и определяется комплексом .генов, расположенных ,в .разных хромосомах (Ригин, Барашкова. 1.975, Ррлюк, 1985, Sutka, 1981). Поэтому особый интерес дре^срердеет ^мплексная оценка признаков морозоустойчивости, QCHQBHo^ (цель.ю которой является выделение главных' физиологичес^х .роцессов, обуславливающих выживание растений , в н$нкре:г,ных 'экологических условиях, поиски связей между ними и вщв^е.ние ¡видовых и сортовых особенностей в физиологических мехщцздах адаптации растений к неблагоприятным факторам среды."

На первом этапе исследования, в 1978-1984 гг. изучали от 32 до 85 генотипов оз.цмоа ¿швницы, регистрируя более 30 признаков, характеризующая ,о,орта на'3-х уровнях организации растения в различные период ^'е^езимовки:

1) на субклеточном уровне - дараметры термограмм послесвечения листьев при разумных значениях низких температур; .

2) в качестве эдизнэ^ор, характеризующих растения на уровне тканей были ьвщы сопротивления переменному току тканей главного стебля до и goрбработки импульсами тока; ток через отрезки стеблей до про^рра^ива/шя их в морозильной камере и после оттаивания;

3) признаками, характеризующими сорта на уровне организма были вес отрезка-главного стебля длщой 2 см вблизи узла куре-

ния; процент выживаемости растений после прямого промораживания их в морозильных камерах; абсолютно сухой вес надземной части растений ,на ЗО-й день отрастания после промораживания.

В число анализируемых включены параметры, характеризующие

изменение биомассы главного стебля п^/г^ (где п^ и п^ - биомасса отрезка главного стебля в первую и.вторую половину перезимовки; /120 - отношение, характеризующее изменение

числа активных центров фотосистемы 2; /!?„„ - изменение

удельного сопротивления."

Анализ полученных матриц факторных нагрузок показал, что абсолютно большая часть дисперсии всех признаков (76-94%) определяется выделенными 10-ю факторами, причем первые 6 факторов определяют 66-90% дисперсии всех признаков.

Наиболее сложным этапом факторного-анализа явилась биологически содержательная интерпретация общих факторов, в основу которой были положены рекомендации Лиепы.(1980). -

Для заключения о природе первого фактора, значимость ко.то- . рого составляла от 22 до 40 7. в разные годы, были приняты дао внимание следующие характерные особенности:

1) этот фактор имеет высокую положительную корреляцию (факторную нагрузку) с электрическими параметрами главных стеблей и отрицательную корреляцию с их массой;

2) корреляция первого фактора с электрическими параметрами в разные периоды зимы, неодинакова - она максимальна в начале и особенно в середине перез#мода, ¡когда в условиях Кубани слабоустойчивые сорта уже"начинают'весеннее.отрастание, а более зимостойкие сорта еще находятся в покое;

3) максимальная отрицательная корреляция с весом главного стебля наблюдается в конце -перезимовки, Когда наиболее скороспелые сорта уже трогаются в рост за счет кратковременных оттепелей;

4) максимальным значением первого фактора (факторным весом) отличаются сорта Альбйдиум 114, Ульяновкз, Краснодарская 39, - позднеспелые сорта, для Которых характерен уход в состояние глубокого вынужденного покоя в зимний период;

б) минимальное еначение первого фактора получено для уль-

траскороспелых и скороспелых сортов Рубин, Русалка, Скороспелка 35, Ранняя 12.

Перечисленные выше особенности становятся объяснимыми, если принять, что первый фактор представляет собой компоненту морозоустойчивости, связанную с глубиной вынужденного/ покоя растений, которую мы определили как неспецифическую устойчивость, обусловленную уходом в глубокий вынужденный покой.

Признаки, максимально коррелирующие со вторым фактором, меняются в зависимости от года. Это указывает, что на второе по значимости место в формировании морозоустойчивости выходят разные комплексы физиологических процессов в зависимости от года исследований. Аналогичная картина наблюдается и с остальными факторами.

При анализе второго фактора (11-15% значимости) учитывали что в 1980-1981 г. и 1983-1984 г. со вторым фактором были наиболее тесно связаны признаки, характеризующие послесвечение листьев, а в 1981-1982 г. и в 1982-1983 г. - признаки характеризующие динамику биомассы главного стебля.

Проведенные нами исследования показали, что во второй половине вегетации характер низкотемпературной вспышки послесвечения определяется способностью тканевой воды к переохлаждению. В этот период чем сильнее переохлаждена вода, тем выше максимальный уровень послесвечения и тем при более низких температурах наблюдается максимум-свечения. Таким образом, второй фактор в 1980-1981 Году характеризует способность сортов к переохлаждению своей внутриклеточной воды.

Исходя Из этого, второй фактор в 1981 и 1984 году можно определить как способность к переохлаждению внутритканевой воды. .'" /

При анализе. природы очередного фактора следует обратить внимание на следующие.обстоятельства:

' I) второй фактор (1981-82 и 1982-83 г. , 13-11%. значимости) максимально коррелирует с параметрами, характеризующими рост в полевых условиях-.' т.е. с .нарастанием/биомассы при пониженных среднесуточных температурах;

2) более . высокая корреляция в эти годы у второго фактора наблюдается с массой главного стебля полевых растений или с

■ - 27 -

динамикой нарастания биомассы в первой половине зимы.

Это дает основание предполагать, что в число факторов, определяющих морозоустойчивость, входит низкотемпературная устойчивость ростовых процессов, которая обусловлена в первую очередь низкотемпературной устойчивостью белок-синтезирующих систем клетки.

При анализе природы . третьего фактора, необходимо было учитывать следующее:

1) максимальная корреляция этого фактора наблюдается с признаком 1?уд3 /Яуд2 - динамикой удельного сопротивления во второй половине перезимовки;

2) высокий коэффициент корреляции третий фактор имеет с отрастанием после промораживания при -16° 0, температуре, не являющейся критической для выживания большинства сортов озимой пшеницы.

Куд3/Куд2 отражает степень . изменения .структуры ткани во второй половине вегетации. Нами было.показано, ■ что в середине зимы низкие температуры, даже не приводящие к гибели растений вызывают снижение" электрического сопротивления тканей узла кущения, а при последующем смягчении температурного; режима происходит репарация повреждений и увеличение удельного сопротивления тканей.

Учитывая это можно предполагать, что третий фактор, выделенный в 1981-1984 гг. связан с группой' физиологических процессов, которые.обусловливают репарацию повреждений после окончания действия низкой температуры.

Четвертый фактор в 1981-82 и 1982-83 гг. имеет максимальные корреляции с признаками послесвечения. Поскольку интенсив-• ность свечения при низких температурах определяется двумя обе- -тоятельствами: степенью обезвоживания цитоплазмы при образовании внеклеточного льда, и собственно устойчивостью хлороплас-тов к обезвоживанию, то этот- фактор можно определить как устойчивость хлоропластов к промораживанию.

Пятый фактор в 1980-1981 И 1982-1983 гг. отражает динамику числа активных фотосинтетических единиц, поскольку- с этим фактором наиболее тесно связано изменение 120 /120 .

3 ' 2

Шестому и последующим факторам, имеющие суммарную эначи-

- 28 -

Таблица 7. Основные результаты факторного анализа признаков морозоустойчивости озимой мягкой пшенйцы (1981-1984гг.)

1980-81 Г. 1981-82 г. 1982-83 Г. 1983-84 г. 147 генотипов! 48 гёнотипов ¡57 генотипов! 85 генотипов . Ф1 347. 29% 22% 25%

R^ +0,899 . Rqq^+0,825 R^ +0,899 R^ +0,899

R60 +0,877 RgQ +0,755 Rg0 +0,824 RK +0,824'

mg -0,854 m, -0,731 nig -0,726 R80 , +0,813

Шд -0,817

Глубина покоя Глубина покоя Глубина покоя Глубина'покоя ¡К 15% 14% 14% 13%

W+0,713 т2/т1+0,752 rag +0,689 1_д -0,829

+0,701 R^^+0,690 n^/it^ +0,495 I.^ -0,789

ЬНТМз+0-632 . ™L 2-0.621 t„TMJ -0,626

Способность к Низкотемпера- Низкотемпера- Способность к переохлаждению турная устойчи-турная устойчи- переохлаждению вость роста вость роста ФЗ 9% 12% 12% 10%

mg/m, -0,709 Отрастание+О,655 R^VR^+0,684 Ryflg/Ryflg+0,765

R„_ /R.,n -0,702 RVJI /Rv, +0,579 Отрастание+0,628 УД3 УД2 УД^ У-Stj

• Способность Способность Способность Способность

• к репарации к репарации к репарации к репарации

Ф4 ' 77. 8% 9% 8%

I_±1 +0,539 I_12 +0,479 ■ 3 1 •

w +0<532 w -°-451

+0,592

Низкотемператур- Нйзкотемператур- Низкотемператур- Интенсивность ная устойчивость ная устойчивость ная устойчивость весеннего хлоропластов хлоропластов ' хлоропластов 1 отрастания

Продолжение табл. 7.

1_2_3_4_5

36 6% 7% 87. 7%

120/1201 -°'510 120^1201+0,542

Динамика фото- Прочность кле- Динамика фото- Низкотемпера-синтетического точных структур синтетического турная устой-аппарата аппарата чивость роста

36 4% 67. 67. 5'4

Е-9-11 ~°>429 /^о'1"0,124 т3/т2 +0>541 Выживаемость

+0,549 ПРИ "17 0

42 Интенсивность

весеннего +0,547

отрастания

Особенности зимы (Средние температуры за ноябрь, декабрь, январь, февраль)

°С 1.,и„ +2,27 -0,87 -0,7 -1,27

мин

-1,52 -7,07 -6,97 -5,85

абс

+5,15 +2,42 +2,9 +2,3

мость 20-25 % не всегда удается приписать какой-либо определенный биологический смысл.

Сравнение биологической природы факторов, полученных при анализе генотипов озимой мягкой пшеницы в разные годы позволяет сделать следующие заключения (табл 7).

1. Ведущим фактором морозоустойчивости во все годы исследований в данной системе признаков является неспецифическая устойчивость, обусловленная- глубиной вынужденного покоя растений.

2. В годы со слабыми морозами вторым .по значимости фактором является способность к переохлаждению воды в -тканях листьев (и, возможно, других тканей растений). При понижении абсолютных минимальных температур более значимым становится фактор низкотемпературной устойчивости роста, который в более теплые

Процент выживаемоста, расчет

Процент выживаемости, рвочег

1983 г., 57 генотипЬв

О 20 40 №> ВО 100

Процент выживаемости, аксперикент

1984 г., ■ .у.

85 генотипов

л ■

О 20 40 00 во 100

Процент выживаемости, эксперимент

во

<0

20

Бис.4. Соотношение между морозоустойчивостью растений озимой пшеницы, определенной методом прямого промораживания и рассчитанной' на основании факторных весов, полученных в результате Факторного анализа морфофизиологических и физико-химических параметров.

годы либо имел малую значимость (1984 г.), либо не играл роли (1981 г.).

Для подтверждения, того что выделенные факторы действительно определяют изучаемое явление - морозоустойчивость, - мы по данным 1981-1988 гг. рассчитали уравнения множественной регрессии, где функцией является уровень морозоустойчивости, а аргументами - значения факторов для каждого генотипа.

Сравнение значений морозоустойчивости, рассчитанных по полученным уравнениям и определенных экспериментально (рис.4), а также приведенные в табл.8 коэффициенты детерминации (й2),

Таблица 8. Коэффициенты детерминации для уравнений, связывающих морозоустойчивость (процент выживания) и факторные веса у генотипов озимой мягкой пшеницы

Год исследования

. 1981 1982 .1983 1934 1930 1937 1988 I?2 0.80 0,73 0.90 0.00 0.84 0.86 0.80

показали, что степень связи морозоустойчивости с факторами, выделенными в результате факторного анализа очень высока. Это является убедительным свидетельством, что комплекс выделенных гипотетических факторов действительно описывает уровень морозоустойчивости генотипов.

Полученные уравнения фактически являются моделями морозоустойчивости и могут указывать, какие компоненты морозоустойчивости в какой степени определяют выживаемость растений в данных экологических условиях, а также, из каких компонентов складывается морозоустойчивость того или иного генотипа.

Вышеприведенный анализ дает нам основание ввести понятие факторной (или компонентной) структуры морозоустойчивости и рассматривать выделенные гипотетические факторы как отдельные системы (компоненты), из которых состоит морозоустойчивость растений.

Использование методологии компонентной структуры морозоустойчивости может оказаться очень плодотворным для ряда направлений как в физиологии и генетики, так и в практической селекции.

1. Предлагаемый подход позволяет принципиально по-новому контролировать реакцию адаптивного признака на изменение условий среды. В отличие от традиционных подходов, позволяющих установить количественные связи между условиями среды и уровнем устойчивости растений (Levitt, 1980, Личикаки, 1974), предлагаемый нами подход позволяет заглянуть "внутрь" самого признака, проконтролировать его качественные изменения.

2. Возможность оценивать, за счет каких компонент складывается морозоустойчивость у отдельных генотипов может быть использована при подборе пар для гибридизации при селекции на морозоустойчивость.

3. Описанный метод анализа адаптивных, признаков позволяет проследить за характером качественных изменений этого признака как в процессе онтогенеза, так и в ходе селекции.

4. Анализируя факторную структуру морозоустойчивости у сортов, дающих стабильные высокие урожаи в данном регионе, можно оценить оптимальную структуру признака морозоустойчивости для данного региона, и сформулировать модель этого призна-

- 32 -

ка, к которой надо стремиться в процессе селекции.

Б. Используя данный подход можно преодолеть отрицательную связь между потенциальной устойчивостью и продуктивностью, построив селекционную стратегию таким образом, чтобы повышать морозоустойчивость (или поддерживать ее на определенном,' уровне) за счет компонент, не. связанных отрицательно с. продук-. тивностью.

Изменение структуры признака морозоустойчивости озимой мягкой пшеницы в течение перезимовки

Для анализа качественных изменений признака морозоустойчивости в ходе перезимовки в течение 3-х лет исследовали 35 сортов озимой мягкой пшеницы различной скороспелости, морозоустойчивости и экологического происхождения. С большой уверенностью можно полагать, что■выбранные генотипы содержат все основные гены, обусловливающие морозоустойчивость, и поэтому их совокупность можно рассматривать как модель этого полигенного признака.

Весь комплекс признаков регистрировали в течение перезимовки 2-3 раза, результаты обрабатывали отдельно для каждого этапа и интерпретировали, как описано выше.

Проведенные исследования показывают, что в процессе перезимовки происходит изменение не только уровня морозоустойчивости, но и структуры этого признака (табл.9). В начале перезимовки устойчивость к низким температурам обусловлена процессами, ■ связанными с глубокими изменениями метаболизма и развитием структурной устойчивости (например, вследствие изменения липидного состава мембран, вызывающего повышение их эластичности, обезвоживания тканей).

С середины зимы в обеспечении устойчивости растений от мороза начинают играть все больиую роль ¿■акторы, либо не допускающие повреждения без снижения уровня обменных процессов (переохлаждение), либо ф.жторы регенерации и репарации, а также факторы, обеспечлгсн'чи? достаточлнй уровень гнергообменнух процессов в растении (структура и аадиьность фотксшгетическо-го аппарате!).

Анализ структуры морозоустойчивости у отдельньр: сортов показал, что наиболее морозоустойчивые сорта сохраняют во вре-

- 33 -

Таблица 9. Изменение значимостей компонент морозоустойчивости озимой пшеницы в процессе перезимовки 1986-1987 гг. (2)

Наименование компоненты Глубина покоя

Способность к переохлаждению Торможение активности фотосинтетического аппарата Активация фогосинтетического аппарата

Накопление пигментов_

Период перезимовки Начало Середина Конец . 31 30 22

8 19

19

8 10 10_17_10

мя всей зимней вегетации высокие значения неспецифической устойчивости за счет глубокого вынужденного покоя, а у слабоустойчивых генотипов неспецифическая устойчивость низка. Общей закономерностью для всех генотипов является снижение уровня неспецифической устойчивости к весне, а для слабоморозоустойчивых генотипов - повышение способности к • переохлаждению в конце перезимовки.

Такие качественные изменения являются отражением сложной генетической природы признака морозоустойчивости и обусловлены, по всей вероятности, экспрессией разных групп генов в зависимости от этапа онтогенеза й напряженности внешних факторов. В этом случае объяснима неоднозначность результатов генетических исследований морозоустойчивости. Они будут зависеть как от этапа развития, на котором промораживается растение, так и от температуры промораживания (Лавриченко, 1981). Поэтому при проведении генетических исследований по морозоустойчивости необходимо четко представлять, какие компоненты этого признака обусловливают выживание растений в создаваемых экспериментальных условиях, и планировать изучение генетики морозоустойчивости, исходя из представлений о его многокомпонентной динамической природе.

Изменение структуры признака морозоустойчивости в процессе селекции Используя разработанный подход нами был проведен анализ

изменения Структуры морозоустойчивости озимой мягкой пшеницы в результате селекции этой культуры в разных регионах. Для этого в течение 1986-91 гг. был изучен широкий набор генотипов (110 образцов) контрастной морозоустойчивости, включавший сорта разного экологического происхождения и разных лет селекции. Сравнение структуры морозоустойчивости сортов разных лет се-, лекции, проведенное нами; (Федулов, Пучков и др., 1987, Федулов, 1990), • показывает, что общая тенденция изменения структуры морозоустойчивости в результате селекции высокопродуктивных сортов состоит в следующем:

1. Уменьшается неспецифическая устойчивость в результате снижения глубины вынужденного покоя, причем степень снижения неспецифической устойчивости явно зависит от региона, где ведется селекция: в более суровых условиях (Ростовская область по сравнению с Краснодаром или Одессой) неспецифическая устойчивость в ходе селекции снижается в меньшей степени. В еще более жестких условиях, на границе ареала возделывания озимой пшеницы вообще не происходит снижения згой компоненты устойчивости (табл. 10).

2. Б большинстве случаев у новых сортов наблюдается явное улучшение динамики фотосинтетического аппарата (Федулов, Пучков и др. , 1987), что выражается в более быстром накоплении пигментов и (формировании в ранне-весенний период активно работающего фотосинтетического аппарата.

3. Новые сорта, как правило, характеризуются более интенсивным ростом при пониженных температурах, что согласуется с их менее глубоким вынужденным покоем.

Биологический смысл изменения структуры морозоустойчивости в процессе селекции очевиден -это максимально использовать местные климатические условия. Например на Кубани возможности увеличивать время вегетации за счет удлинения весенне-летнего периода ограничены недостаточной устойчивостью новых генотипов к болезням и факторам засухи. Однако, здесь возможно более интенсивное использование ранневесеннего периода, что можно сделать с помощью сортов, -_которые_вместо_ухода.в.глубокий вынуж-_ денный покой имеют другие -способы защиты от мороза. Это позволяет им максимально использовать ранне-весенний период для накопления биомассы И снижения редукции таких компонентов уро-

Таблица 10. Зекторная структура морозоустойчивости озимых мягких пшениц различных регионов селекции

Неспеци- Способность Рост при понижен- Низкогем-

Сорт фическая к переохлаж- ных температурах пературна

устойчи- дению внут- устойчиво

вость ри ткане- Осенью Весной хлороплас

вой воды . осенью

Мироновский НШССП

Мироновская 808 1. 02 -0. 37 0. 50 0. 75

Мироновская юбил. -0. 02 0. 18 -0. 66 -0. 41

ВСГИ

Одесская 16 1.05 0. 85 0. 35 0. 28

Одесская 51 0.26 . 0. 22 -0. 35 0. 44 -0.13

Обрий -1.16 -0. 82 -0.15 0.30 0. 75

Донской секцентр

Донская остистая 0.38 0. 31 0.05 0. 28 -0.13

Северодонская 0. 86 1. 13 -0.09 0. 66 -0. 63

Тарасовская 29 0.96 ■ 0. 03 0.61 ' 0.12

Урожайная 0. 29 1. 04 0.12 0. 51 -0. 88

Краснодарский НИИСХ k

Безостая 1 0.14 0. 45 0.11 0.47 0.39

Краснодарская 39* 1.42 0. 07 -0.31 0.12 -0.11

Краснодарская 46 0. 29 0.30 -0. 41 0. 66 0.13

Северокубанка* 0. 82 0. 91 0.06 0.04 0.0

Краснодарская 57* 0.40 0.39 0.28 0. 45

Замена -0. .21 0.18 -0. 41 0. 79 0. 71

Спартанка 0. 20 - -0.76 0. 31 -0.06 0.11

№а 0.02 -0.14 -0.87 0.0 0.77

Соратница* 0.70 0.30 -0.17 -0. 66 0. 47

Югтина -0. 26 1.49 ' 0.26 -0.03 0. 34

Поволжье и Сибирь

Ульяновка 2. 22 -2. 22 0.06 -1.33 - -0. 95

Альбидум. 114 3.36 -0.37 1.30 0.51 -0. 34

Кинельская 4 2. 37 0.73 -0.67 0. 80 -0.92

Альбидум 12 2. 91 -2.23 -1.60 0.0 1.70

*Сорта для северной зоны Краснодарского края

жая, как число продуктивных колосьев и число зерен в колосе.

Таким образом, в результате селекции происходит изменение структуры адаптивного признака, причем это изменение осуществляется за счет компонент, не связанных отрицательно с урожаем.

Логическим следствием приведенного ' анализа является то, что донорами морозоустойчивости должны быть генотипы,-имеющие , высокие значения компонент, способных обеспечить необходимый уровень устойчивости к стрессовым воздействиям в данном регионе и не связанных со снижением продуктивности.

Можно полагать, что этот вывод справедлив не только для изученного нами признака морозоустойчивости, но и для любого сложного адаптивного признака. Из вышесказанного также следует, что адаптивность генотипа должна выражаться не только количественным уровнем (например, устойчивость к морозу до -16°С), но и качественно - т. е. за счет каких компонентов адаптивного признака достигается необходимый уровень устойчивости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучение сортовой специфичности физико-химических параметров различных видов озимых культур показало, что для всех изученных параметров выполняется одна обшзя закономерность: для небольшого набора из 7-10 генотипов с контрастной устойчивостью к низким температурам наблюдается высокая связь значений физико-химических параметров с уровнем морозоустойчивости, которая при расширении набора исследуемых генотипов падает.

Разложение признака морозоустойчивости на составляющие и анализ его компонентной структуры позволило выявить причину падения этой связи при переходе к массовому анализу образцов. Для обеспечения очень высокого уровня морозоустойчивости необходим высокий уровень неспецифической устойчивости, обусловленной уходом в глубокий вынужденный покой, тогда как средний уровень устойчивости, может обеспечиваться разными компонентами й разным их сочетанием.

Широко используемый при разработке^методов оценки морозо^__

устойчивости набор сортов-индикаторов включает генотипы с очень широким варьированием уровня морозоустойчивости, от Русалки до Альбидум 114, которые различаются прежде всего по

уровню своей неспецифической устойчивости. Поэтому любой морфологический, физиологический или физико-химический параметр, так или иначе связанный с процессами формирования состояния вынужденного покоя, дает хорошую дифференциацию между этими сортами, что мы и наблюдали для всех использованных нами признаков.

Однако, если морозоустойчивость будет определяться процессами, не связанными с уходом в покой, то эти методы будут давать ошибку, что часто и происходит при оценке сортов пшеницы со средним уровнем морозоустойчивости, а также генотипов ячменя (рис.3).

Отсюда вытекает три следствия:

1. Очень проблематично создание эффективного экспресс-метода оценки морозоустойчивости, основанного на регистрации какого-либо одного или группы близкородственных физико-химических параметров, тогда как создание на этой основе методов отбора слабо- или высокоморозоусгойчивых генотипов принципиально возможно.

2. Метод оценки морозоустойчивости (независимо, будет ли он основан на регистрации физико-химических, физиологических или морфологических параметров) должен быть "региональным",т. е. он должен учитывать, за счет каких компонент у продуктивных генотипов лучше поддерживать морозоустойчивость. Например, в Поволжье и Сибири будут наиболее эффективны методы, основанные на регистрации признаков, связанных с формированием вынужденного покоя, тогда как для Краснодарского края, наоборот, предпочтительнее методы,- основанные на признаках морозоустойчивости, не связанных с покоем.

3. Набор сортов-стандартов морозоустойчивости не может быть одинаковым для всех регионов.. Для эффективной селекции на морозоустойчивость в' каждой зоне должен быть свой набор сортов стандартов морозоустойчивости, у генотипов которого морозоустойчивость была бы обусловлена компонентами позволяющими максимально. использовать ресурсы среды.

Биологическая непротиворечивость интерпретации получаемых компонент морозоустойчивости не снимает важного принципиального вопроса: полученная компонента - это искусственное собрание

признаков или за ними стоят реальные физиологические процессы, управляемые соответствующими генетическими системами?

Изложенный в- диссертаций анализ показал, что существуют генетические системы, которые можно поставить в соответствие таким выделенным нами компонентам, как неспецифическая.устойчивость, обусловленная уходом в покой, способность к .переохлаждению, низкотемпературная устойчивость роста, сосбенности динамики активности фотосинтетического аппарата. Это свидетельствует, что полученные компоненты не являются искусственным собранием признаков, за ними стоят реальные, скоординированные физиологические процессы, управляемые блоками генов, как единым целым (Ригин, Барашкова, 1975, Жученко, 1988).

Принимая, что за выделенными нами компонентами морозоустойчивости стоят определенные генетические системы, весьма вероятно, что изменение структуры морозоустойчивости в ходе вегетации отражает переопределение генетической формулы признака, следующее из эколого-генетической модели количественного признака СДрагавцев, 1984), в которой вместо стабильного набора полигенов вводится лабильная генетическая формула количественного признака (функционально меняющийся спектр ло-кусов, детерминирующих признак).

О методологической стороны использованный нами подход может быть.применен для исследования любого адаптивного признака, и как выводы, так и следствия, вытекающие из этого подхода будут справедливы не только для морозоустойчивости, но и засу-. хоустойчивости, жароустойчивости, солеустойчивости и других признаков устойчивости как к абиотическим, так и биотическим факторам.

ВЫВОДЫ

.1. На основе разработанных подходов к количественнной многосторонней оценке адаптивных свойств растений,, включающих измерение признаков растений на разных уровнях организации с

—использованием автоматизированной-аппаратуры, - обработку полу-----

ченных результатов методами многомерной статистики и биологически непротиворечивую интерпретацию данных, обосновано преимущество системного анализа для изучения сложных полигенных адаптивных признаков, подобных морозоустойчивости.

- 39 -

2. Разработку способов массовой оценки адаптивных свойств растений с помощью физико-химических параметров необходимо рассматривать как создание технологий, включающих:

-метод дифференциации генотипов по интересующему адаптивному признаку;

-автоматизированную аппаратуру для измерения Физико-химических параметров;

-методы подготовки образцов к анализу;

-организацию массовой оценки;

-обработку экспериментальных данных. '

3. Наиболее высокие коррелятивные связи физико-химических параметров с морозоустойчивостью наблюдаются на наборе сортов индикаторов контрастной морозоустойчивости, с расширением исследуемого набора происходит падение степени связи физико-химических параметров с морозоустойчивостью, поэтому при массовой оценке морозоустойчивости с помощью физико-химических параметров с наибольшей надежностью отбираются генотипы с контрастной морозоустойчивостью.

4. Степень связи параметров температурной зависимости. послесвечения с морозоустойчивостью, определяемая по величине коэффициента корреляции, зависит от вида озимых культур' и имеет наибольшую величину у мягкой (гексаплоидной) пшеницы, чем у твердой (тетраплоидной) пшеницы и озимого ячменя.

5. Обработка тканей растений импульсами постоянного электрического тока усиливает дифференциацию по электрическим параметрам у различных по морозоустойчивости генотипов озимых культур, при этом более высокая связь электрических парметров с морозоустойчивостью наблюдается у мягкой пшеницы, и более низкая у твердой пшеницы и ячменя.

6. Уровень проницаемости, определенный по разработанной методике оценки коэффициента проницаемости, имеет более высокую корреляцию с морозоустойчивостью в.конце перезимовки, что обусловлено различным уровнем метаболизма у слабоморозоустойчивых раннеспелых и высокоморозоустойчивых позднеспелых генотипов.

7. Разработаны критерии для объективного сравнения методов оценки морозоустойчивости генотипов: коэффициент дифференциа-

ции, характеризующий способность метода дифференцировать различные по устойчивости сорта и профиль отбора, позволяющий оценить, какие генотипы отбираются данным методом..

8. Экспериментально и теоретически обосновано понятие компонентная структура адаптивного признака и на примере морозоустойчивости показан метод выявления этой структуры и контроля за ее изменением в ходе вегетации и в процессе селекции.

9. Показано, что признак. морозоустойчивости является сложной динамической системой, которую с помощью методов многомерной статистики можно представить в виде ряда компонент. Правомерность такого представления морозоустойчивости подтверждается:

-высокой связью полученного комплекса компонент с морозоустойчивостью;

-биологически содержательной и непротиворечивой интерпретацией полученных компонент;

- наличием генетических систем, соответствующих выделенным компонентам устойчивости.

10. В ходе вегетации происходит качественное изменение признака морозоустойчивости, выражающееся в изменении его структуры, зависящее как от внешних, так и от эндогенных причин, направленное на лучшее использование ресурсов среды: уменьшение роли неспецифической устойчивости, обусловленной уходом в вынужденный покой, и усилением роли физиологических процессов, позволяющих сочетать активную вегетацию с морозоустойчивостью.

11. В процессе селекции происходит закономерное изменение структуры морозоустойчивости, направленное на наиболее эффективное использование ресурсов среды новыми генотипами.

,12. Виды и сорта озимых культур различаются по структуре признака морозоустойчивости,1 причем эти качественные различия согласуются с особенностями биологии исследованных видов и сортов: для.обеспечения морозоустойчивости озимой"мягкой ~ пше-~ ницы наибольшее значение имеет неспецифическая устойчивость, обусловленная уходом в покой, меньшее значение этот параметр играет для озимой твердой пшеницы, и наименьшее - для озимого

ячменя.

13. Для регионов с разными экологическими условиями существуют свои селекционно значимые компоненты морозоустойчивости, позволяющие поддерживать необходимый уровень морозоустойчивости в ходе селекционного процесса, направленного на повышение продуктивности. Для условий Кубани такими компонентами являются устойчивость роста.к низким температурам, способность к переохлаждению внутритканевой воды, особенности динамики фотосинтетического аппарата.

14. При селекции на адаптивность следует учитывать оптимальную для данного региона структуру признака адаптивности.

15. Методы оценки морозоустойчивости генотипов по косвенным признакам должны быть привязаны' к экологическим условиям региона, что подразумевает:

- необходимость учитывать, какие компоненты и какое их сочетание в генотипе наиболее выгодно для генотипа, районируе-. иого в данном регионе;

- использование набора сортов-стандартов, у генотипов которого морозоустойчивость обусловлена компонентами, обеспечивающими максимальное использование ресурсов данной среды.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Федулов Ю. П. , Воробьев Л. К Дискретные состояния мембранной системы клеток харовой водоросли *Н1е11орз13 оЬЬива//Физиоло-гия растений". - 1974. -Т. 21. -И 4. С. 867-869

2. Третьяков Г. И. , Зайка Т. Е. , Фэдулов Ю. Е Определение степени морозостойкости пшеницы методом регистрации электрической емкости и сопротивления //Физиолого-биохимические особенности растений в связи с повышением их продуктивности. Труды КСХИ. Краснодар. -1978. -Вып. 132 /160. -С. 43-48

3. Федулов Ю. П. Соломатина О. И., МихолаПов Г. К , Третьяков Г. И., Третьякова О. И., Чуваева А. Д. Исследование биофизических методов массовой оценки селекционного материала на морозоустойчивость //Тезисы IV республиканской конференции "Физиологические основы повышения продуктивности и устойчивости зерновых культур". -Алма-Ата. -1980. -С. 28

4. Фэдулов Ю. П., Соломатина 0. И. , Чумаковский Н. Н. Диагностика

морозоустойчивости и исследование температурной зависимости у различных по морозоустойчивости злаков //Тезисы IV республиканской конференции "Физиологические основы повышения продуктивности и устойчивости зерновых культур". -Алма-Ата. -1980. -С. 28

Б. Евтушенко Ю. В., Ткачев В. А. .Федулов ¡0. П. Установка для. регист- ( рации изменения электрической емкости растительных тканей после обработки .электрическим током // Приборное оснащение и автоматизация научных исследований в биологии. Тезисы докладов Всесоюзной конференции. Кишинев. 4.1. -1981а. -С. 88

6. Евтушенко Ю. В. , Ткачев В. А. ,Фэдулов Ю. Е Установка для определения морозо- и засухоустойчивости селекционных сортообразцов пшеницы и ячменя // Приборное оснащение и автоматизация научных исследований в биологии. Тезисы докладов Всесоюзной конференций. Кишинев. Ч 1. -19816. -С. 100

7. Федулов Ю. Е Сравнение биофизических методов массовой оценки устойчивости селекционного материала к абиотическим стрессам //Проблемы и пути повышения устойчивости растений к болезням и экстремальным условиям среды в связи с задачами селекции. //Л-д. :ВИР. - 1981. -4.2. -С. 5-6

8. Федулов Ю. Е , Чумаковский R Е , Ткачев В. А. , Евтушенко Ю. Е Автоматизация процессов определения устойчивости сельскохозяйственных растений к экстремальным факторам среды //Проблемные вопросы автоматизации производства. Тезисы докладов Второй всесоюзной научно-технической конференции. Краснодар. -1981.

. -С. 209

9. Третьяков Г. И. , Алешин Е. П. , Федулов Ю. П. , Чумаковский ЕЕ, Третьякова О. И. Способ определения морозостойкости растений, Авторское свидетельство СССР, N 865228 от 23.09. 81

10. Чумаковский Н. Е , Зедулов Ю. П. , Фадеева 0. И. , Осипов Ю. Ф.. Комплексная физиологическая оценка озимой пшеницы в практичес-ко& селекщи на устойчивость и ^продуктивность ..//„Теоретические— и прикладные аспекты селекции и семеноводства пиеницы, ржи, ячменя и тритикале. -ВСГИ. -Одесса, 1981. -С. 115

11. Федулов Ю. П. , Чуваева А. Д. Применение электродов из окисляющихся металлов для измерения электропроводности растительных тканей // Физиология и биохимия культурных растений. -1982.

-T. 14. -N 4. -С. 393-397

12. Федулов Ю. R Использование биофизических методов оценки устойчивости к абиотическим стрессам для массовой оценки селекционного материала // I Всесоюзный биофизический съезд. Тезисы докладов стендовых сообщений. -Москва, 1982. -Т. Г П.

-С. 242.

13. Фэдулов Ю. Е , Ыйхолапов Г. К., Майшстов R Е Влияние температуры на послесвечение листьев различных по термоусгойчивости сортов озимых пшениц // I Всесоюзный биофизический съезд. Тезисы докладов стендовых сообщений. -Москва, 1982. -T. III. -

С. 242.

14. Осипов Ю.Ф., Фадеева 0. И., Фэдулов О. IL Рекомендации по разработке моделей сортов озимой пшеницы в sohô Северного Кавказа //Применение физиологических методов при оценке селекцион- ' ного материала и моделировании новых сортов сельскохозяйственных культур. Материалы 1-ой Всёсоюзной конференций по применению физиологических методов в селекции растений,г. йо-дино, Минской обл, 18- 19 декабря, 1981). -ВАСМШ.М. -1983. -С?

15. Федулов Ю. И , Чуваева А. Д., Маймистов a В. Способ определения засухоустойчивости растений. , Авторское свидетельство СССР N 719559 от 05.03. 80.

16. Фздулов Е Е, Чуваева А. Д. Влияние света на повреждение листьев озимой пшеницы высокой температурой и обезвоживанием //Физиология растений. -1981. -Т. 28. -Вып. 1. -С. 36-42

17. Федулов Ю. IL , Третьяков Г. И. Определение морозоустойчивости озимых культур методом удара током //Электронная обработка материалов. -Кишинев,. "Штиинца". -1984. -N 3. -С. 70-74

18. Федулов Ю. П., Беликова H. М. Комплексный анализ физико-химических признаков морозоустойчивости озимых пшениц //Теоретические и прикладные аспекты селекции и семеноводства пшеницы,

: ржи, ячменя и тритикале. Сборник ревюме Международной научной конференции ученых стран-членов СЭВ, 23-25 апреля 1985. -Прага. -1986. -С. 202

19. Фгдулов Ю. П. Принципы создания экспресс-методов для адаптивной селекции в связи с задачами автоматизации эколого-генетических исследований //Теоретические и прикладные аспекты селекции и семеноводства пшеницы, ржи, ячменя и тритикале.

Сборник резюме Международной научной конференции ученых стран -членов СЭВ, 23-25 апреля 1986. -Прага. -1986. -С. 203

20. Федулов Ю. П. , Беликова Е И. Использование электрофизиологических экспресс-методов оценки устойчивости для массового анализа селекционного материала озимой пшеницы. //Физиолого-генетические проблемы интенсификации селекционного процесса Материалы Всесоюзной конференции (Саратов,4-6' июля 1983). -Саратов. -1983. -Часть II. -С. 18-19

21. Осипов Ю. Ф., Фадеева О. И., Федулов Ю. П. Физиологические признаки продуктивности и устойчивости озимой пшеницы как селекционные критерии //Физиолого-генетические проблемы интенсификации селекционного процесса Материалы Всесоюзной конференции (Саратов, 4-6 июля 1983). -Саратов. -1983. -Часть I. -С. 34-35 '

22. Федулов ¡0. Е , Третьякова О. И. Исследование морозоустойчивости озимой пшеницы методом регистрации фотомндуцированной хемилю-минесценции листьев //Еиохемилюминееценция в медицине и сельском хозяйстве. Материалы Всесоюзного симпозиума Ташкент, 23- 25 апреля 1986. -Ташкент. -1986. -С- 42-44

23. Федулов Ю. П., Штоды оценки зимостойкости и морозоустойчивости растений //Селекция и семеноводство. -1987. -М 2.. -С. 50-55

24. Федулов Ю. а , Пучков Ю. М., Беликова Н, М., Набоков Г. Д. Комплексная оценка морозоустойчивости озимой пшеницы физиологическими и биофизическими методами //Генетика, физиология и селекция зерновых культур. -Наука, М. -1987. -С. 49-58

. 25. Федулов (0. П. Биофизические методы оценки устойчивости расте-. ний к стрессам //Диагностика устойчивости растений к стрессовым воздействиям (.Методическое руководство). -ВИР, Л-д.

__ -1988. -С. 195-811 '

26. Осипов Ю.Ф., Левицкая Л И. , Федулов Ю. П. Физиологическая характеристика перспективных и районированных сортов озимой пшеницы в сравнении с физиологоценотической моделью сорта //Физиология продуктивности и устойчивости зерновых культур. -Краснодар,1988. -0.4-15

27. Федулов КХЕ , Винокурова Г. Е, Фоменко С, Е Криоустойчивоеть листьев озимой пшеницы в разные Периоды вегег-ации //Физиология пгюдуктивности, и устойчивости зерновых культур. -Красно-

- 4Б -

дар, 1988. -С. 4-15

28. Маймистов Е Е , Федулов XX П. Ускоренный метод оценки прочности хлорофилл-белкового комплекса злаковых растений //Методы определения устойчивости к абиотическим факторам среды при селекции зерновых культур. -ПНР, Радзиков, 1988. -С. 1.01- 104.

29. Федулов Ю, П. Использование замедленной флуоресценции для исследования устойчивости растений к абиотическим факторам //Методы определения устойчивости к абиотическим факторам среды при селекции зерновых культур. -ПНР,Радзиков, 1988. -0.55-58

80. Федулов Ю а Определение морозоустойчивости озимых пшениц методом удара током //Методы определения устойчивости к абиотическим факторам среды при селекции зерновых культур. -ПНР,Радзиков, 1988. -С. 59-62

31. Федулов Ю. П. , Пучков О. N., Беликова Н. М., Набоков Г. Д. Изменение структуры признака морозоустойчивости озимой пшеницы в течение перезимовки //Доклады ВАСХНМ -1990. -Н б. -0.2-5.

32. Федулов 1й П. Использование физико-химических и физиологических методов в селекции растений на устойчивость к воздействию абиотических факторов среды //Каталог магнитофонных записей выступлений новаторов' и ученых. -ВДНХ, М, 1986. -N4?. , -С. 4

33. Федулов Ю. П. Системный анализ признака морозоустойчивости //Тезисы докладов Второго съезда Всесоюзного общества физиологов растений, (24-29 сентября 1990, Минск). -М, 1990. -С. 93

34. Федулов !й П., Маймистов В. Е , Голуб 0.0. Способ отбора морозоустойчивых сортов озимой пшеницы //Авторское свидетельство СССР N1697124. Бюлл. Открытия изобретения. -1990. -И 37. -С. 4

35. Фэдулов Ю. П. Системный анализ признака морозоустойчивости //Технология возделывания зерновых, колосовых культур и проблемы их селекции. Сборник науч. труд. -Мироновка, 1990.-С. 31-39.

36. Генетический контроль, источники ■ и доноры морозостойкости ■ озимой пшеницы (итоги программы "Мороз") //Генетически изученные источники признаков для селекции важнейших сельскохозяйственных культур в Нечерноземкой зоне РСФСР. (Сборник трудов по прикладной ботанике, генетике и селекции, том 143). -ВИР, 1992. -С. 114- 121. (В составе коллектива авторов).