Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Спектральные свойства растений томата в диагностике состояния и устойчивости к стрессам

ВАК РФ 06.01.06, Овощеводство

Автореферат диссертации по теме "Спектральные свойства растений томата в диагностике состояния и устойчивости к стрессам"

и ВСЕРОССИПСКИП ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ СЕЛЕКЦИИ И СЕМЕНОВОДСТВА ОВОЩНЫХ КУЛЬТУР

На правах рукописи

УРСУЛ Наталья Александровна

УДК 528.88:64.58.02

СПЕКТРАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА РАСТЕНИЙ ТОМАТА В ДИАГНОСТИКЕ СОСТОЯНИЯ И УСТОЙЧИВОСТИ К СТРЕССАМ

06.01.06— овощеводство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Москва — 1995

Работа выполнена в Институте Генетики Академии наук Республики Молдова в 1986—1994 гг.

Научный руководитель:

член-корреспондент АН РМ, доктор сельскохозяйственных наук, профессор Н. Н. Балашова

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук А. Н. Самохвалов кандидат биологических наук И. Г. Тараканов

Ведущее учреждение: Московское отделение Всероссийского Института Растениеводства

Зашита диссертации состоится « (? » 1995 года

в «/</ » часов на заседании специализированного совета К 120.89.01 при Всероссийском научно-исследовательском институте селекции и семеноводства овощных культур по адресу: 143080, Московская область, Одинцовский район, п/о Лесной городок, п. ВНИИССОК.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан « » 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат сельскохозяйственных наук

В. А. Епихов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Возрастание объемов селекционно-генетических исследований и усиление антропогенных нагрузок на природную среду выдвигают задачу-дальнейшего совершенствования методов контроля состояния и прогноза развития агроценозов. Необходима объективная оценка фактического состояния посевов, которая позволила бы судить как об условиях их роста и развития за прошедший период вегетации, так и о перспективах формирования урожая. Используемые традиционные наземные агротехнические обследования трудоемки, дороги, носят выборочный характер. Поэтому ученые и практики1 все чаще обращаются к методам дистанционного зондирования (ДЗ), представляющего собой объективную быстродействующую автоматизированную систему сбора и обработки информации о природных объектах без непосредственного контакта с ними (Кондратьев, Федченко, 1982; Clevers, 1986; Milton, Mouat, 1989; Кочубей и др., 1990).

Одна из ключевых задач агрономической оценки - надежное определение стрессового состояния растений. Это особенно актуально для Молдавии, где при изобилии тепла и богатстве почв испытывается постоянный дефицит влаги, а неразумное природопользование привело к массовому засолению и агрохимическому заражению почв. В то же время, использование дистанционных методов, в частности спектрометрии, для диагностики стрессов здесь пока не нашло должного развития. Несмотря на достаточно длительную историю изучения спектральных свойств растений, не решена полностью обратная задача ДЗ -интерпретация информации, получаемой при измерениях, особенно применительно к отдельным культурам, в том числе и к томатам - ведущей овощной культуре республики.

Основную отражающую поверхность растений составляют листья. Состояние листа как отражающего объекта обусловлено генетически детерминированными признаками: анатомическим строением (Gausman at al.,1970; Sinclair et al.,1971), закономерностями онтогенетического развития (Gausman et al.,1071; Hodanova,1985), физиологической и функциональной активноотью (Gates, 1965; Knlpllng, 1970), изменение которых под действием условий произрастания может отличаться у различных по устойчивости генотипов (Бажанов,1986; Krlshnamurthy et al.,1987). Поэтому представляется возможным использование спектральных свойств растений для определения их состояния как в виде самостоятельной задачи, так и в рамках, общего решения проблемы оценки устойчивости растений к стрессовым факторам среды.

Цель работы: исследовать механизмы адаптации томатов к небла-

- г -

гоприятным факторам среды и преломления их генотипических особенностей в спектральном отражении листьев и растительного лолога в делом для дистанционной диагностики стрессовых состояний и стрес-соустойчивости растений.

Задачи исследования:

1. Установить закономерности изменения в неблагоприятных условиях среды содержания пигментов, морфоанатомической структуры и обводненности листьев томатов как признаков, оказывающих непосредственное влияние на спектральный образ растения. Изучить наследуемость этих параметров у гибридов Гг-

2. Выявить морфоанатомические и физиологические параметры листьев, наиболее информативные при диагностике состояния и устойчивости растений к абиотическим стрессовым условиям среды.

3. Оценить свяаь физиологических и анатомических параметров со спектральными характеристиками листьев с учетом генотипа растений.

4. Идентифицировать комплекс спектральных характеристик, позволяющих наиболее адекватно оценивать состояние томатов и выявить генотипы, устойчивые к стрессовым факторам среды.

5. Сравнить точность оценки состояния растений традиционным! и дистанционными методами.

Научная новизна. Впервые на примере томатов показано проявление в спектральном образе растений их устойчивости к действию абиотических стрессовых условий среды. Установлено, что особенности спектрального отражения отличающихся по устойчивости томатов .обусловлены различиями реакций их физиологической и норфоанатомической структуры; показана важность учета генетической природы растений в дистанционной диагностике стрессовых состояний. Определены наиболее информативные спектральные признаки при диагностике состояния и устойчивости растений к почвенной засухе, хлоридному засолению, избыточным дозам азотных удобрений и заражению ВТЫ в зависимости от фазы развития и природы стресса. Показана возможность кластеризации растений томатов различной стрессоустойчивости по их спектрам отражения.

Практическая значимость работы. Выявленные закономерности изменения физиологических и анатомических характеристик листьев го-матов под действием абиотических стрессов способствуют углублению и расширению представлений о механизмах стрессоустойчивости, а установленная зависимость отражательных свойств листьев от этих изменений - о механизмах формирования спектрального отражения. Пред-

латаемый подход к разделению генотипов томатов различной стрессо-устойчивости по спектральным характеристикам может найти применение в селекционной практике, а выявленные наиболее информативные спектральные характеристики для оценки состояния растений - при разработке приборов и экспресс-методов дистанционной диагностики стрессов.

Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались на Всесоюзной конференции "Применение дистанционных методов в сельском хозяйстве" (Чернигов, 1986), Всесоюзном совещании "Частная генетика растений" (Киев, 1989), на международной конференции "Актуальные проблемы генетики, биотехнологии и селекции" (Кишинев, 1994) и заседании Ученого совета Института генетики АН РМ. По материалам диссертации опубликовано б работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы. Материал изложен на 148 страницах машинописного текста, содержит 17 рисунков и 21 таблицу. Список литературы включает 208 источников, из них 101 иностранных.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследование применимости спектрометрии для диагностики состояния и стрессоустойчивости томатов проводилось как на отдельных листьях растений, выращенных в условиях вегетационного опыта (в теплице), так и на растении в целом (в поле). Все опыты проведены на экспериментальной базе Института генетики Молдавской Академии Наук в 1987-88 годах.

1. Вегетационный опыт по спектральной оценке влияния почвенной засухи и хлоридного засоления на состояние томатов различной стрессоустойчивости. Объект исследования - образцы томата, различающиеся по устойчивости к засухе и засолению (устойчивый - Нист-ру, неустойчивый - Новинка Приднестровья), а также их реципрокные гибриды Fi' (Нистру х Новинка Приднестровья) и Fi" (Новинка Приднестровья х Нистру). Устойчивость томатов оценивалась исходя из агрономического критерия устойчивости - по степени снижения продуктивности зрелых плодов, веса сырой и сухой надземной вегетативной массы растений по сравнению с контрольным вариантом (Строго-нов, 1962).

Растения выращивались в почвенной культуре в сосудах (5л), снабженных дренажем и трубкой для полива (Журбицкий, 1968), в десятикратной повторности. До фазы 4-5 листа влажность почвы поддер-

живалась на уровне 70-807. ПВ. Затем часть растений оставлялась в качестве контрольных без изменений условий произрастания, а для других создавались два варианта независимых друг от друга стрессов: засуха - дефицит влаги в почве (30% ПВ) и 0,ЗХ-ное хлоридное засоление (Зг NaCl на 1 кг почвы).

Через неделю после создания стресса (начало бутонизации - фаза I), а затем с интервалом в 1.5 месяца, при интенсивном цветении (фаза II) и массовом плодоношении (фаза III), определялось содержание пластидных пигментов (спектрофотометрически) и воды, морфоа-натомическая структура и спектры отражения отделенных листьев среднего яруса.

Спектральный коэффициент отражения (СКО.р) измерялся в диапазоне длин волн \ - 400-850 нм с помощью лабораторного спектрофотометра Specord М-40 со штатной приставкой на отражение (спектральное разрешение 2нм). В качестве спектральных признаков взяты значения р в синей (С), зеленой (Э), красной (К) и ближней инфракрасной (БИК) зонах спектра на длинах волн 450, 550. 680 и 800 нм соответственно, а также рассчитанные на их основе комплексные спектральные характеристики (вегетационные индексы, ВИ), представляющие собой индексы-отношения, образованные шестью возможными парными комбинациями р в выбранных диапазонах (3/С, К/С, К/3. ЕИК/С,БИК/3. БИК/К) и нормализованные разности: НРс - (БИК-С)/(БИК+С), НРз -(БИК-3)/(БИК+3), НРк - (БИК-К)/(БИК+К).

2. Полевой опыт по дистанционному обнаружению избыточного внесения азотных удобрений и заражения томатов ВТМ. Объект исследования - районированные в Молдавии сорта томатов: Молдавский ранний, Ликурич, Факел, Призер, Нистру. Схема опыта: контроль, фон 3-кратной нормы азотных удобрений (NH4NO3), заражение растений нулевым штаммом вируса табачной мозаики (ВТМ-0) и их суммарное воздействие (азот + вирус). Рассада высажена 18-19 мая. Азотные удобрения внесены в почву 27 мая. Заражение растений ВТМ выполнено общепринятым механическим методом в фазе начала бутонизации 1-й кисти (18 июня). Измерения проводились 25.06, 8.07 и 28.07 (на 7-й. 21-й и 41-й день после инокуляции). При первом измерении развитие патогена находилось на инкубационной стадии, без видимых признаков заражения, при втором и третьем измерении обнаруживалось визуально.

Коэффициент спектральной яркости (КСЯ, ЬХ) растительного подога измерялся в интервале длин волн 400-1070 нм с помощью полевого спектрофотометра, разработанного в ОКБ "Интеграл" С.-Петербург-

ского университета, с высоты 0.6-0.7 м. В объектив прибора попадал круг диаметром 20-25см, т.е. один куст.

Кроме описанных выше вегетационных индексов, использовано четыре n-мериых индекса: четырех- и двухмерный индексы зелености ( G4— 0,288С- 0,3003-0,581К+0,700БИК, G2— 0.851К+0.525БИК), четырех И двухмерный индексы яркости (В4-0,277С+0,4023+0,509К+0.709БИК, В2-0,525К+0,851БИК). Коэффициенты уравнений при значениях ЬА в соответствующих зонах спектра рассчитаны по методу Jackson (1983).

Математическая обработка результатов проведена на мини-ЭВМ СМ-4 и ПЭВМ типа IBM с использованием ППП "Собрат", "САД", "БИОС-ТАТ", "STATGRAPHICS", "FRAMEWORK-111".

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.Физиологические и морфоанатомические характеристики листьев как показатели состояния и стрессоустойчивости растений.

Показано, что несмотря на разнообразие причин, обуславливающих различные отклонения от нормального развития растений, значения р их листьев определяются в конечном итоге содержанием пигментов, морфоанатомической структурой и обводненностью (Bunnlc, 1978). Однако превалирующее действие какого-либо из основных факторов может быть специфично в зависимости от типа стресса, стадии поражения и устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды (Выгодская, Горшкова, 1987).

Анализ дянакжи накопления пигментов в стрессовых условиях показал., что в листьях всех образцов томатов через неделю после создания засухи (I фаза) концентрация общего хлорофилла в пересчете на единицу площади листа увеличилась в среднем на 10%, а при засолении примерно на столько же уменьшилась (рис.1). При этом, у менее устойчивого сорта Новинка Приднестровья это уменьшение было значительно большим, чем у Нистру и гибридов Fi. В дальнейшем оба стрессовых фактора стимулировали накопление хлорофилла и уже к фазе II его концентрация в листьях более устойчивых растений в условиях засухи превышала контроль на 30Z, а засоления - на 20Х. К фазе массового плодоношения засуха обусловила 2.5-кратное, а засоление — 1.5-кратное содержание общего хлорофилла по сравнению с контролем. Относительное возрастание хлорофилла в листьях Новинки Приднестровья достоверно ниже, чем у остальных генотипов. Аналогичные зависимости присущи и каротиноидам.

Избыток азотного питания в полевом эксперименте привел к воз-

- в -

Засуха

; И

ф ш\

..к-^Ьа.

МаС1

лш

I! III I II

Фазы онтогенеза

П1

□

Ьсп

ЕЗ

О п-

Рис.1. Относительные изменения (X) содержания общего хлорофилла в листьях в стрессовых условиях среды.

растанию концентрации общего хлорофилла и каротиноидов на единицу площади листа, особенно через 42 дня после внесения удобрений (рис.4). Защитная реакция томатов при вирусном заражении первоначально выразилась в усиленной выработке пигментов и привела к накоплению их в листьях в больших количествах, чем при оптимуме: средние значения пигментов у инокулированных растений на 21 день после заражения были выше, чем у контрольных. Но в дальнейшем развитие болезни сопровождалось разрушением пигментов и уже на 41 день поверхностная 'плотность повсеместно становится ниже контрольной. В варианте азот+вирус индивидуальные эффекты обоих факторов вначале складываются, что приводит в резкому возрастанию поверхностной плотности, а затем - вычитаются. При этом эффект взаимного действия двух факторов не является строго аддитивным.

По результатам дисперсионного анализа 25 июня эффект повышенных доз азота и вирусного заражения был статистически незначим для поверхностной плотности Хд , но достоверен для содержания ка-

ротиноидов и отношения Хл а/Ь; эффект взаимодействия двух факторов отсутствовал. 8 июля содержание хлорофиллов листьях растений, находящихся под стрессом, значимо отличалось от контроля. При последней регистрации эффекты факторов и их взаимодействие существенны для всех пигментов. Как по количеству вначдаых эффектов, так и по их Р-8начениям воздействие на содержание пигментов вирусного заражения по сравнению с избытком аэота более сильное.

Очевидно, что накопление пигментов хотя и не единственный, но важный механизм, позволяющий растениям сохранять продуктивность в неблагоприятных условиях среды: в адаптационных перестройках метаболизма происходят более полная мобилизация потенциальных возможностей различных реакций и компенсаторные изменения сопряженных процессов, интенсивность которых в нормальных условиях протекает на уровнях, значительно ниже максимально возможных (Гродзинский, 1983; Удовенко, 1989). При этом, изменение фотосинтетической активности листа в большей степени происходит из-за изменений количества хлоропластов на единице площади листа, нежели за счет изменения активности единичного хлоропласта (Мокроносов.1978; Березина, 1989; Wolfe, Kelly. 1992). И действительно, в проведенном вегетационном опыте растения генотипов, накапливающих в стрессе больше фотосинтетических пигментов, меньше снизили продуктивность плодов. Следовательно, уровень содержания пигментов может служить индикатором в селекционной работе по созданию устойчивых сортов томатов.

Относительный рост пигментов у гибридов в целом не превышал таковой для лучшего родителя, но по урожаю плодов в стрессовых условиях они оказались более устойчивыми. Можно предположить, что проявился гетерозисный эффект по уровню фотохимической активности хлоропластов, который, в частности, наблюдался и для гибридов Fi хлопчатника (Красичкова и др.,1993). Различия в реакции на стресс пигментного аппарата реципрокных гибридов статистически не достоверны.

Реакция структуры листа на условия засухи и засоления через неделю после создания стрессов не носила четко выраженного характера, т.к. на'ранних фазах развития растений, иэ-sa продолжающегося формирования листового аппарата, некоторые признаки (удельная поверхностная площадь, толщина листовой пластинки и др.) более вариабельны, чем.в репродуктивных фазах (Оника и др.,1989). При последующих регистрациях, в условиях уже сформировавшегося стресса,

изменения структуры листа томатов более упорядочены: засуха вызывает, как правило, уменьшение толщины тканей, и как следствие, толщины листовой пластинки, а 8асоление, напротив, утолщение тканей.

Разница в реакции генотипов на стресс в основном выразилась в степени изменения признаков. Так, Новинка Приднестровья реагирует на засоление достоверно большим утолщением палисадной, губчатой паренхимы и общей толщины листа по сравнению с Нистру и гибридами При засухе, наоборот, изменения толщины листа у Новинки Приднестровья наименьшие. Таким образом, у устойчивых образцов наблюдается связанное с их способностью к адаптации более выраженное уменьшение толщины листа в условиях засухи и менее выраженное утолщение тканей в условиях засоления по сравнению с неустойчивыми образцами, что также позволяет лучке сохранять продуктивность в стрессовых условиях.

Иансзшальная обводненность листьев в контроле наблюдалась при первой регистрации; в конце вегетации она наименьшая. Засуха и засоление приводят к разнонаправленным изменениям содержания воды на, первых двух фазах: засуха вызывает уменьшение, а засоление, напротив, его увеличение. При последней регистрации содержание воды в листьях превышало контроль как при засолении, так и в условиях засухи, что связано, по-видимому, с отставанием в темпах развития растений в условиях дефицита влаги. Достоверных различии между генотипами по содержанию воды в листьях не обнаружено.

2.Спектральная оценка влияния почвенной засухи и хлоридкого засоления на состояние растений томатов различной стрессоустойчи-вости.

Для оценки связи спектрального отражения листьев с вызванными засухой и засолением изменениями их физиологических и морфоанато-мических признаков рассчитаны коэффициенты простой парной корреляции отражения на различных участках спектра с концентрацией пиг- • ментов, обводненностью и толщиной тканей листьев (табд.1).

Корреляция между поверхностной плотностью пигментов и величиной отражения в видимой области спектра - отрицательная? при этом наиболее сильная для зеленого диапазона, средняя - для красного и синего. Иной механизм формирования отражения в БИК области (практически полная его независимость от содержания пигментов) обуславливает очень слабую свяэь этих двух характеристик. Как результат, более сильное конечное накопление пигментов при засухе по сравнений с засолением сопровождается и более сильным падением от-

Таблица 1

Коэффициенты простой парной корреляции отражения листьев томатов на различных участках спектра с концентрацией пластидных пигментов, обводненностью и толщиной тканей листьев

Спектраль ный диапа аон, А Содержание пигментов Обводненность листьев Толщина эпидермиса Толщина мезофилла Толщина листа

Хл а+б Каротиноиды Верхний Нижний Палисадный • Губчатый

450 -.61+.04*** -.55+.04*** -.07+.05 -.30+.16 .06+.17 . .14+.17 -.18+.17 -.07+.17

550 -.85+.03*** -.84+.03*** .08+.05 .01+.17 .35+.16* .35+.16* .08+.17 .20+.17

680 -.66+.04*** -.60+.04*** -.29+.05*** -.02+.17 .34+.16* .46+.15** .15+.17 .28+.16

800 -.15+.05* -.08+.05 -.60+.04*** .33+.15 .62+.14*** .73+.12*** .54+.14*** .64+.13***

—

Примечание: *, **, *** — корреляция значима при Р < 0.05; 0.01; 0.001 соответственно

Таблица 2

Оценка информативности (X) спектральных признаков растений томатов при разделении их по 4-м вариантам опыт

Дата регистрации

Спектральная характеристика

КСЯ Отношения КСЯ п - мерные вегетационные индексы

С 3 к БИК 3/С К/С К/3 ВИК/С ЕИК/3 БИК/К НРс НРз НРк 02 04 в2 в4

26.06 76.4 61.0 71.5 73.0 76.6 53.1 80.1 93.0 82.2 82.6 92.7 82.2 83.7 76.3 77.1 72.7 73.1 8.07 68.7 70.2 88.6 86.1 68.8 90.8 91.7 88.8 86.8 88.5 88.9 87.0 88.3 86.5 86.7 84.8 84.4

28.07 76.0 68.7 77.1 64.8 65.3 70.9 77.5 72.1 73.6 78.2 73.4 74.6 . 82.8 62.0 61.2 63.7 63.5 По массиву 43.8 41.6 55.1 49.0 41.7 48.8 56.7 56.5 63.8 69.7 57.3 65.9 72.5 50.0 50.5 46.9 44.8

¿=450нм

38 i" и III I II III

Засуха NaCl

Л=550нм

Засуха HaCl

>Ьб80нм

Засуха NaCl

Рис. 2.Относительные изменения отражения листьев в видимом диапазоне спектра в стрессовых условиях среды. I, II. III. — фазы онтогенеза

- И -

¿=800нм

I II III I II III Засуха NaCI

Рис.3. Относительные изменения отражения листьев в БИК диапазоне спектра в стрессовых условиях среды. I, 11,111 - фазы онтогенеза

ражения в С, 3 и К областях спектра (рис.2). Практически полная нейтральность БИК отражения к содержанию пигментов в листьях объясняет незначительные (в пределах 32) отклонения отражения в этой области (рис.3).

Корреляция отражения и обводненности листьев, напротив, показала практически полную нейтральность к содержанию воды отражения в видимом диапазоне и среднюю отрицательную зависимость НИК отражения, которая также наблюдалось в работах Bowman (1989), Hunt, Rock (1989) и др.

Что касается свяаи отражения с изменениями в анатомической структуры листьев, то положительная корреляция присуща БИК диапазону, где оно обусловлено многократными внутренними отражениями в структуре мезофилла, возникающими вследствие различий показателей преломления компонентов клеток и внутритканевых воздушных полостей (Gausman et al., 1970; Sinclair et al., 1971 и др.).

Для оценки значимости эффекта стрессов на спектральные харак--

теристики листьев использована процедура двухфакторного дисперсионного анализа, где в качестве первого фактора выступал стресс, а второго - генотип. Засуха и засоление значимо сказались на отражении уже через неделю после создания стресса как непосредственно на р в видимом диапазоне, так и на вегетационных индексах (ВИ). Максимально чувствительными к засухе были Р450 и Р550. а также Ш БЖ/С, БИК/3, НРс, НРэ;- к засолению -Р450. Р550, Р680 и ВИ БИК/3, БЙК/С, БИК/К, НРс, НРз, НРк. В фазе II засуха обнаруживается по всему видимому диапазону, а также по ВИ (кроме К/С), причем более чувствительными к стрессу оказались те из них, где присутствует значение отражения в зеленой области (3/С, К/3, БИК/3, НРз). Засоление значимо сказалось на спектральных коэффициентах отражения в 3 и К диапазонах и на ВИ. Нет достоверного отличия от контроля только К/С и К/3. В фазе III засуха и засоление обнаруживаются, за небольшим исключением, всеми спектральными характеристиками. Таким образом, использование вегетационных индексов, учитывающих отраже-. ние на двух и более участках спектра, расширяет возможности диагностики стрессов, при этом можно говорить о функциональной эквивалентности простых отношений и нормализованных разностей.

Практически полная нейтральность БИК диапазона в диагностике засухи и засоления возможно объясняется тем, что отражение в данной области спектра связано обратной зависимостью с содержанием воды в листьях и прямой - с толщиной тканей. Данные стрессы вызывают противоположные изменения этих параметров, которые и нейтрализуют изменения отражения в БИК области.

Генотипическио различия в реакц>ш спектров отражения на стрессы, обусловленные неодинаковым уровнем накопления пигментов у более устойчивых образцов по сравнению с менее устойчивыми, наиболее сильно проявились в зеленой области спектра, для которого эффект взаимодействия имеет место на всех фазах.

Для выявления растений, однородных по спектральным характеристикам листьев, был использован кластерный анализ. Достоинство этого метода состоит в том, что разделение осуществляется не по какому-нибудь одному признаку, а по группе параметров одновременно.

Вначале кластеризация была проведена по показателям биологической продуктивности томатов (урожая плодов, сухой и сырой биомассы), с группировкой их, исходя из цели исследования: разделение двух качественно различающихся категорий - устойчивые и неустойчивые генотипы, на два кластера. Как в условиях засухи, так и засо-

ления в один кластер попало 75Х растений, а в другой.- 25%. В большем кластере оказались растения Нистру и реципрокные гибриды F1, которые в стрессовых условиях проявили большую устойчивость; в меньшем кластере - менее устойчивые растения Новинки Приднестровья.

Затем была проведена кластеризация растений по комплексу тех спектральных характеристик листьев, для которых взаимодействие факторов (генотил+стресс) было статистически достоверно. В условиях засоления сравнение полученных группировок с кластерами биологической продуктивности показало их полное совпадение для первой и третьей регистрации вегетационного опыта. На второй фазе взаимодействие было достоверно только для зеленого диапазона и кластеризация по комплексу спектральных параметров не совпала с группами растений, полученными при разделении по продуктивности. В условиях засухи полное совпадение кластеров наблюдалось только для третьей регистрации, что также хорошо согласуется с результатами дисперсионного анализа.

Таким образом, спектральные характеристики листьев томатов на определенных фазах развития могут быть использованы в селекционно-генетических исследованиях для разделения генотипов по их устойчивости к стрессовым абиотическим факторам среды.

3. Использование дистанционной спектрометрии для обнаружения избыточного внесения азотных удобрений и заражения томатов ВТМ в полевых условиях.

Ход кривых КСЯ растений томатоз в определенной степени отражает динамику накопления пигментов (рис.4). Однако провести прямую аналогию пигменты - отражение достаточно сложно. Так. в видимой области спектра ни зеленое, ни красное отражение не являются полным зеркальным отображением содержания пигментов, но в целом, варианту опыта, приводящему к большей плотности пигментов, как правило соответствует меньшее еначение КСЯ.. В ближней ИК области взаимное расположение линий изменения КСЯ вообще не соответствует аналогичному сочетании плотностей пигментов.

Первоначальная' оценка информативности спектральных признаков по разделению состояний растений проведена с использованием алгоритма Ы. Бонгарда (Браверман, Мучник,1083), реализованного в программе INFOS (ППП "Собрат"), согласно которому информативность признака измеряется качеством распознавания объектов по нему. По результатам этой оценки информативность спектральных признаков прежде всего зависит от фазы развития и природы стресса (тасл.2).

Рис.4. Динамика содержания пигментов и КСЯ томатов в различных диапазонах спектра в зависимости от условий среды. 1-25 июня, 2-8 июля, 3-28 июля, о - контроль, л- азот, о - ВТМ, #- ВТМ+авот

Максимальная информативность имела место 8 июля, на 21-й дет после заражения ВТМ (до 80-90%). Из отдельных участков спектра наиболее информативными оказались красный и БИК, а также их комбинации (НРк и БИК/К). Достаточно хорошей информативностью обладают и комбинации СКЯ в ближнем и зеленом диапазонах: НРз и ВИК/З.

Более строгая оценка информативности получена дисперсионным анализом эффектов вариантов опыта на спектральные характеристики.

Эффект избытка азота на всех фазах развития на значениях КСЯ существенно не сказывается. В то же время азотный стресс был обнаружен комплексными спектральными характеристиками (в частности, отношениями К/С, НРк и особенно К/3) при второй регистрации (8.07), а отношение К/3 - единственный параметр, чувствительный к азоту и при последней регистрации (28.07). Поскольку во всех этих трех индексах присутствует отражение в красной области спектра, можно предположить, что определяющим здесь является содержание хлорофилла в листьях. И действительно, если при первой регистрации (25.06) существенные различия в содержании хлорофиллов а и Ь между вариантами азотного питания отсутствовали, то 8.07 Р-значение этих различий достигло 0.002. Но 28.07 поверхностная плотность хлорофилла в листьях (порядка 5-6 мг/дм) значительно превышает предел (2.5-3.0 мг/дм2; Шульгин, Клешнин, 1959), до которого содержание пигментов существенно влияет на изменение отражательных свойств листьев и поэтому выявление повышенных доз азота оказалось возмож-' ным только по отношению К/3.

Зффект вирусной инфекции, в отличие от азота, обнаруживается по спектральным измерениям уже через неделю после инокуляции, при этом как непосредственно по КСЯ (К, БИК диапазоны), так и по ВИ, особенно БИК/3, БИК/К, НРс, НРз, НРк. На 21 день инфекции болезнь обнаруживается практически всеми спектральными характеристиками, особенно индексами-отношениями. Однако через три недели, на фоне . отмеченного вше роста поверхностной плотности Хл, чувствительными к ней остаются только отдельные параметры.

Эффект взаимодействия азота и вирусной инфекция в спектральном образе томатов значимо не проявляется.

В целом наиболее чувствительны к эффектам вариантов КСЯ томатов в БИК и К диапазонах и их комбинации (БИК/К. НРк). Но максимальной чувствительностью, особенно при индикации вирусного заражения, обладает отношение отражений на К и 3 участках спектра, хотя само по себе отражение в 3 области не реагирует ни на один ва-

риант опыта. Полученные результаты, видимо, следует считать вполне закономерными, ибо первые две комбинации (БИК и К отражения) характеризуют крутизну спектральной кривой при переходе в БИК-диапа-зон, третий ВИ - выраженность минимума отражения в красной области по отношению к относительному максимуму в зеленой. Использование более сложных п-мерных преобразований не только не дает преимуществ по сравнению с простыми отношениями, но подчас даже ухудшает результаты. На то, что сжатие спектральной информации не всегда приводит к ожидаемому повышению чувствительности относительно той, которая возможна в одном спектральном канале, обращено внимание и в работе Выгодской и Горшковой (19В7).

Представленные результаты обнаруживают как общие, так и специфические изменения спектров при действии избыточных доз азотных удобрений и заражении ВТМ растений томатов, что дает возможность не только тестировать эти стрессы, но и различать их между собой.

ВЫВОДЫ

1. Генотипические различия в реакции спектров отражения на стрессовые условия среды обусловлены неодинаковым уровнем накопления пигментов у более устойчивых сортов и гибридов Р1 томатов по сравнению с менее устойчивыми образцами. Наличие таких различий указывает на принципиальную возможность разделения томатов различной стрессоустойчивости по их спектральным характеристикам, а также на важность учета генетической природы растений в дистанционной диагностике стрессовых состояний.

2. Показано, что адаптация томатов к стрессу (засуха, хлорид-ное засоление почвы, избыток азота, вирусное заражение) проявляется в статистически значимом увеличении содержания хлорофиллов и каротиноидов в листьях; это увеличение тем существеннее, чем более стрессоустойчивы растения. ' Таким обравом, накопление пигментов -один из механизмов, позволяющих томатам сохранять продуктивность в неблагоприятных условиях среды.

3. Оценена обратная корреляция между поверхностной плотностью пигментов и величиной отражения в видимой области спектра, сильная (г—0.85 ) для зеленого и средняя (г—0.6) для красного и синего диапазонов. Показана практически полная нейтральность БИК отражения к содержанию пигментов в листьях томатов. Отсутствует значимый эффект обводненности и толщины тканей листьев (верхнего и нижнего эпидермиса, губчатой и палисадной паренхимы) на отражение в види-

мом диапазоне. БИК-отражоние связано обратной зависимостью (г—0.6) с содержанием воды в листьях и прямой (г - 0.5-0.7) - с толщиной тканей.

4. Как результат физиологической и морфоанатомической адаптации томатов к стрессу происходят значимые изменения в отражении отдельных листьев и растительного полога в целом, которые обнаруживаются при дистанционном спектромегрировании на ранних стадиях развития стресса.

5. В зависимости от фазы развития растений и природы стресса идентифицированы спектральные характеристики, наиболее информативные для оценки состояния растений. Более высокое накопление плас-тидных пигментов при засухе по сравнению с засолением сопровождается более сильным падением отражения в видимой области спектра. Показана неинформативность ВИК диапазона в диагностике длительной почвенной засухи и хлоридного засоления из-за одновременных изменений анатомической структуры и обводненности листьев, что приводит лишь к незначительным отклонениям отражения на этом участке спектра.

6. Генотипические различия в реакции отражения листьев томатов на засуху и почвенное засоление наиболее сильно проявились в зеленой области спектра, где коэффициент отражения при всех ре-гистрациях у стрессоустойчивых растений достоверно ниже,.чем у менее устойчивых образцов, а падение относительно контроля - наибольшее.

7. При диагностике стрессового состояния томатов в ценозе наиболее чувствительными к действию избыточных доз азотных удобрений и вирусного заражения оказались ближний Ш и красный диапазоны, их комбинации (ЕИК/К, НРк), а также отношение отражений на красном и зеленом'участках спектра. Специфические изменения'дпектров растений томатов при действии избыточных доз азотных удобрений и заражении ВТМ позволяют не только тестировать эти стрессы, но и различать их между собой.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Т.Г.Слепцова, Н.Н.Выгодская, Н.Н.Балашова, Н.А.Киро (Урсул). Дистанциошше методы в диагностике условий произрастания и общей адаптивности томатов // В сб. :■ Применение методов листан, диагностики в сельском хозяйстве. - Киев, 1989. - С.107-113.

2. H.A.Жиро (Урсул), Т.Г.Слепцова. Н.Н.Балашова. Устойчивость томатов к стрессам и характер наследования этого признака у гибридов Fl // "Частная генетика растений": Тез. докладов Всесоюзного совещания. - Киев, 1989. - С.76-77.

3. В.Я. Райлян, P.M. Коробов, О.И. Войнова, H.A.Жиро (Урсул), Н.Г.Чебан. Использование дистанционной спектрометрии для обнаружения стрессовых явлений у томатов // Известия АН МССР. Серия биол. и хим. наук, 1990.- N 1.- С.60-65.

4. H.A. Урсул, Н.Н.Балашова, Р.М.КороОов. Влияние засухи и засоления на содержание пигментов в листьях томатов // Известия АН МССР. Серия биол. и'хим. наук, 1991.- N 4.- С.17-22.

5. Р.Ы.Коробов, H.A. Урсул. Наземная спектрометрия в оценке эффектов влияния различных вариантов многсфакторного полевого опыта // Сельско-хозяйственная биология, 1993.- N1.- С.133-145.

6. Ürsul N.Ä. The Influence of drought and chloride sallnizatlon on the spectral reflectance of leaves of tomatoes differing In stress resistance // Rezúmatele lucrarilor Conferlntei nationale "Probleme actúale ale geneticll, blotehnologiel si ameliorarii".- Chisinau, 1S94.- P.92-93.