Способ диагностики засухоустойчивости и продуктивности злаковых сельскохозяйственных культур

Изобретение относится к области сельского хозяйства, в частности к растениеводству. Способ включает измерение устьичной проводимости листьев до и после повышения температуры атмосферы. Устьичную проводимость листьев измеряют при температуре атмосферы 24°С и после повышения до 28°С. Дополнительно измеряют гидравлическую проводимость корней при температуре атмосферы 24°С и после повышения до 28°С. При снижении устьичной и гидравлической проводимости растение относят к засухоустойчивому типу регуляции водного баланса. При сохранении или повышении устьичной и гидравлической проводимости растение относят к продуктивному типу регуляции водного баланса. Предложенный способ позволяет установить механизмы регуляции растением поступления воды в корень и ее испарение через лист, а также способствует ускорению селекционного процесса. 7 табл.

 

Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к растениеводству, и может быть применено в селекции злаковых сельскохозяйственных культур для отбора сортов, адаптированных к определенному температурно-влажностному режиму.

Установление способности растения поддерживать водный режим при изменении условий окружающей среды является эффективным способом целенаправленной селекции сортов, адаптированных к определенным температурно-влажностным условиям.

Известен способ оценки устойчивости растений к засухе северного и южного типа на ранних этапах онтогенеза (патент RU 2062564, 1996 г.), включающий экспонирование 2-дневных проростков в течение 24 часов на растворе осмотика с одновременным воздействием низких или высоких температур, определение интенсивности ростовых процессов по степени восстановления скорости роста корня в сравнении со скоростью роста корня контрольных растений, которые выращивают в течение 10 час и 24 час для оценки засухи северного типа и в течение 24 и 24 час для засухи южного типа. Однако данный способ рассматривает только ростовые процессы, которые зависят от многих факторов, в том числе от водного обмена, уровня фотосинтеза, поступления минеральных солей, дыхания, температуры, освещенности, влажности атмосферы и почвы и др.

Прототипом является способ оценки засухоустойчивости селекционного материала по регуляции устьичной проводимости, в которых определялась устьичная проводимость при различных температурно-влажностных воздействиях и сопоставлялась с урожайностью с/х культур. Отбор сортов пшеницы по их способности быстро закрывать устьица был описан в литературе (Quarrie S.A., Stojanovic J., Pekic S. Improving Drought Resistance in Small-grained Cereals: A Case Study, Progress and Prospects.// Plant Growth Regul. 1999. V.29. P.1-21). Однако связь между устьичной проводимостью и урожайностью растений была нестабильной. В отдельные годы ее не удавалось обнаружить (Fischer R., Rees D., Sayre К., Lu Z., Condon A., Saavedrsa A. Wheat yield progress associated with higherstomatal conductance and photosynthetic rate, and cooler canopies // Crop Science. - 1998. - V.38. - P.1467-1475).

Предлагаемая нами методика исследования дополнена изучением гидравлической проводимости корней при температурных воздействиях, что позволяет установить механизмы регуляции растением как поступления воды в корень, так и его испарение через лист.

Технический результат - выявление генотипических особенностей растений в поддержании оптимального, в соответствии с условиями среды, водного баланса.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе, включающем измерение устьичной проводимости листьев до и после повышения температуры атмосферы, ее измеряют при температуре атмосферы 24°С и после повышения до 28°С и дополнительно измеряют гидравлическую проводимость корней при температуре атмосферы 24°С и после повышения до 28°С, при снижении устьичной и гидравлической проводимости растение относят к засухоустойчивому типу регуляции водного баланса, при сохранении или повышении устьичной и гидравлической проводимости растение относят к продуктивному типу регуляции водного баланса.

Регуляция водного потока у растений осуществляется через изменение гидравлической проводимости корней (способности поглощать воду) и устьичной проводимости (способности к испарению воды в атмосферу).

С помощью предлагаемой методики исследования было показано, что растения разных сортов яровой мягкой и твердой пшеницы характеризуются неодинаковой стратегией поддержания водного баланса при изменении температуры окружающей среды (увеличение транспирационного запроса).

Растения в одних и тех же условиях могут (1) повышать гидравлическую проводимость в соответствии с транспирационным запросом или (2) снижать устьичную проводимость. Поддержание водного баланса в растении во всех случаях направлено на восстановление оводненности побега и поддержание нароста органов и тканей растяжением. Однако регуляция процессов водного обмена у разных сортов отличается. Сорта (2), закрывающие устьица, уменьшают потери воды через устьица, это позволяет им экономить воду, однако закрытие устьиц нарушает газообмен и это отрицательно сказывается на фотосинтезе, что в свою очередь ведет к снижению продуктивности сельскохозяйственной культуры. Поэтому способность других сортов (1) поддерживать возросший уровень транспирации за счет увеличения поступления воды из корней имеет то преимущество, что данные сорта не снижают продукционные процессы.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. В лабораторных условиях проводят определение устьичной проводимости листьев и гидравлической проводимости корней при температуре атмосферы 24°С. После повышения температуры атмосферы до 28°С повторно определяют устьичную проводимость листьев и гидравлическую проводимость корней. При снижении устьичной и гидравлической проводимости растение относят к растениям засухоустойчивого типа регуляции водного баланса. При сохранении или повышении устьичной и гидравлической проводимости растение относят к продуктивному типу регуляции водного баланса. Предлагаемый нами подход может способствовать ускорению селекционного процесса.

Методика диагностики селекционного материала

Гидравлическую проводимость корней растений рассчитывают по аналогии с законом Ома. Движущей силой водного потока является разность осмотических потенциалов между водным раствором питательной среды и ксилемным экссудатом корня (Carvajal M., Cooke D.T., Clarkson D.T. Responses of wheat plants to nutrition deprivation may involve the regulation of water-channel function // Planta - 1996. - V.199. - P.372-381):

Lp_r=Jv/ΔΨπ,

где Lp_r - гидравлическая проводимость корней растений (мг·час^-1 ·(г сырого веса корня)^-1·МПа^-1), Jv - объемный поток ксилемного экссудата через корни (мг·час^-1·(г сырого веса корня)^-1), ΔΨπ - разность осмотических потенциалов между питательной средой и ксилемным экссудатом (МПа).

Для определения объемного потока через корни (Jv) большую часть побега срезают. Отделенную корневую систему через оставшееся основание соединяют с тонким стеклянным капилляром с помощью силиконовой трубки. Вес ксилемного сока, собранного в течение 2,5 ч, определяют на аналитических весах по разнице веса капилляра вместе с трубочкой до и после сбора сока. Объемный поток (Jv, мг·ч^-1 · г^-1 сырой массы корней) определяют как соотношение веса ксилемного сока к продолжительности его сбора и сырой массе корней (Carvajal M., Cooke D.T., Clarkson D.T. Responses of wheat plants to nutrition deprivation may involve the regulation of water-channel function // Planta - 1996. - V.199. - P.372-381). Сырая масса корней была величиной относительно постоянной, так как растения росли в одинаковых условиях. Растения (n=20) для сбора ксилемного сока берут перед повышением температуры воздуха и после 30 минут воздействия. Во время сбора ксилемного экссудата контрольные и опытные растения находятся в одинаковых условиях при температуре 22-24°С. Осмотический потенциал ксилемного сока и питательной среды (Х-А 10%) оценивают на криоскопе-осмометре.

Для измерения устьичного сопротивления используют порометр (например, МК Delta-T, этот прибор автономен и его можно применять в полевых условиях), в котором регистрируется продолжительность времени повышения относительной влажности воздуха в пределах листовой камеры в фиксированном интервале значений. Принцип измерения устьичной проводимости в данном приборе состоит в том, что узкая листовая камера, содержащая датчик относительной влажности воздуха, прижата к листовой поверхности растения и водяной пар, испускаемый во время транспирации, повышает относительную влажность воздуха в пределах листовой камеры. Прибор автоматически регистрирует продолжительность времени (ΔТ_5%) повышения относительной влажности в камере в фиксированном интервале значений от номинального заданного уровня до +5%. Предварительную калибровку проводят с помощью пластины, содержащей набор отверстий с известными диффузионными сопротивлениями. По результатам калибровки строят калибровочный график в координатах "сопротивление - показания прибора", используя известное сопротивление каждой группы отверстий.

Устьичную проводимость оценивают по формуле: с=1/r, где с - устьичная проводимость (см/сек), r - сопротивление диффузии водяного пара листом (сек/см). Для перевода единиц измерения устьичной проводимости из см/сек в ммоль·м^-2·c^-1 были использованы соответствующие формулы и коэффициенты (Jones H.G. Plants and microclimate a quantitative approach to environmental plant physiology. Cambridge: Cambridge University Press, 1983. 323 p.).

Относительное содержание воды (ОСВ) определяют в дифференцированной части листа проростков пшеницы. В растущей части листа определяют содержание воды. Измерение проводят согласно методике, описанной Pardossi et al. (Pardossi A., Vernieri P., Tognoni F. Involvement of abscisic acid in regulating water status in Phaseolus vulgaris L. during chilling // Plant Physiol. - 1992. - V.100. - P.1243-1250). ОСВ рассчитывают по формуле:

ОСВ=100%·(сырой вес-сухой вес)/(тургорный вес-сухой вес).

Содержание воды (СВ) рассчитывают по формуле:

СВ=100%*(сырой вес-сухой вес)/сырой вес.

Сырой вес определяют сразу после отделения листа от растения. Дифференцированную часть листа для определения тургорного веса помещают в закрытые стеклянные банки с дистиллированной водой при 20°С на 24 часа в условиях тусклого света. Для определения сухого веса образцы из растущей зоны и дифференцированную часть листа высушивают при 85°С в течение 24 часов (Pardossi A., Vernieri P., Tognoni F. Involvement of abscisic acid in regulating water status in Phaseolus vulgaris L. during chilling // Plant Physiol. - 1992. - V.100. - P.1243-1250).

Метод диагностики селекционного материала был разработан на основе следующих экспериментальных данных.

Эксперименты с быстрым повышением температуры воздуха позволили первоначально обнаружить способность растений сорта Безенчукская 139 быстро (в течение нескольких минут 5-15 мин) увеличивать гидравлическую проводимость корней и поддерживать оводненность тканей в ответ на повышение скорости потери воды за счет транспирации.

Как видно из таблицы 1, через 30 мин после повышения температуры воздуха с 24 до 28°С увеличивался поток воды из корней. По данным литературы гидравлическая проводимость может изменяться в соответствии с транспирационным запросом (Weatherley P.E. Water uptake and flow into roots // In: Encyclopedia of plant physiology / Lange O.L., et al. eds. - Berlin: Springer-Verlag, 1982. - V.12. - P.79-109.; Jones H.G. Stomatal control of photosynthesis and transpiration // J. Exp. Bot. - 1998. - V.49. - P.387-398). В соответствии с композитной теорией транспорта воды (Steudle, 2002) это может происходить за счет увеличения доли потока воды через апопласт (который отличается более низким сопротивлением) в результате увеличения гидростатического градиента давления воды. Однако результаты определения потока воды из корней, поддерживаемого только осмотическим градиентом, показали, что и в этом случае повышение температуры воздуха увеличивало поток воды из корней и их гидравлическую проводимость (табл.1). Движение воды за счет осмотического градиента между ксилемой и питательным раствором идет через мембрану, и оно зависит, прежде всего, от проницаемости мембран для воды.

Таким образом, увеличение гидравлической проводимости корней в ответ на высокий транспирационный запрос позволяет сохранять устьица открытыми. Это важно, так как обеспечивается возможность устьицам оставаться открытыми, что необходимо для поддержания нормального газообмена и фотосинтеза. Было важно выяснить, насколько распространена такая реакция у других сортов яровой пшеницы.

Для дальнейших исследований в лабораторных условиях были взяты

сорта, которые можно условно разделить на две группы: влаголюбивый сорт Ирень и засухоустойчивые сорта Ник, Безенчукская 200 и Омская 20. Кроме того, эти сорта имеют различное селекционное происхождение: сорт Безенчукская 200 как и Безенчукская 139 получен в Самарском НИИСХ, сорт Ник в НИИСХ Юго-Востока, сорт Омская 20 в Сибирском НИИСХ и сорт Ирень в Красноуфимской селекционной станции (Свердловская область) (Госреестр, 2003).

Определение устьичной проводимости показало (таблица 2), что у сорта Ирень в течение 60 минут после повышения температуры устьичная проводимость увеличивалась. В то время как у сорта Безенчукская 200 через 20 мин устьичная проводимость резко возросла примерно 3 раза по сравнению с исходным уровнем, затем, хотя и устьица прикрылись, их проводимость была выше первоначального значения. У сортов Омская 20 и Ник, первоначально имевших большую устьичную проводимость, чем у сортов Ирень и Безенчукская 200, к концу эксперимента происходило уменьшение размеров устьичной щели по сравнению с исходными показателями.

Таким образом, у испытуемых сортов проявились 2 стратегии ответа на сравнительно небольшое повышение температуры воздуха: одна направлена на сохранение водного баланса в растении за счет уменьшения уровня транспирации (сорта Омская 20 и Ник), другая - на поддержание ее высокого уровня (сорт Ирень и сорт Безенчукская 200).

Эксперименты показали, что в условиях повышенной температуры сорта, имеющие высокий уровень транспирации (Безенчукская 200 и Ирень), повысили гидравлическую проводимость, компенсируя тем самым увеличившийся расход воды на транспирацию. Сорта, снизившие интенсивность транспирации (Пик и Омская 20), сократили поглощение воды корнями (таблица 3). Таким образом, изученные сорта различались по характеру изменения гидравлической и устьичной проводимости в ответ на увеличение температуры. Как видно из табл. 3, поток воды из корней растений был в 2 раза выше исходного (при одинаковой величине отрицательного давления). Таким образом, приток воды из корней возрастал во столько же раз, во сколько раз увеличивалась транспирация. Такой подъем количества воды, поступающей в побег из корней, вполне компенсировал возросшую транспирацию и обеспечивал восстановление оводненности побега.

Таким образом, наши результаты свидетельствуют о том, что гидравлическая проводимость может быстро возрастать в результате увеличения проницаемости мембран для воды, и это является основным механизмом, который позволяет компенсировать возросшую транспирацию и восстановить баланс между потерей и поглощением воды и обеспечить сохранение оводненности тканей растений при повышении температуры воздуха.

На основании данных, полученных в лабораторных условиях, можно дать следующую характеристику сортам: сорт Ирень способен быстро увеличивать гидравлическую проводимость в соответствии с транспирационным запросом, сорт Безенчукская 200 способен увеличивать гидравлическую проводимость с последующим прикрытие устьиц вследствие, вероятно, недостаточной доставки воды из корней, сорта Ник и Омская 20 имели близкую реакцию с небольшими отличиями: они закрывали устьица и снижали поступление воды в проросток.

Можно полагать, что первый тип реакции (поддержание устьиц открытыми и повышение способности тканей проводить воду) идет растению на пользу при условии достаточной влажности почвы. Второй тип реакции (быстрое закрытие устьиц) выгоден растению в условиях почвенной засухи, диктующей необходимость экономить воду.

Для того чтобы проверить, насколько верны предположения, основанные на лабораторных экспериментах, мы сравнили наши результаты с данными урожайности изученных сортов при их испытании в разных районах. Нами были проанализированы данные по госсортучасткам (ГСУ), находящимся в различных агроклиматических зонах Башкортостана. Это северный район - Балтачевский ГСУ - северная лесостепь, для него характерно достаточное увлажнение почв и наименьшая теплообеспеченность. Центральный район - Буздякский ГСУ - предуральская степь. Это в целом благоприятная для возделывания яровых по сумме температур и влагообеспеченности зона. Хайбуллинский ГСУ, находящийся на самом юге Башкортостана в зауральских степях, подвержен воздействию частых засух и суховеев, в почве недостаточное увлажнение (Агроклиматические ресурсы БАССР, 1976).

Влагообеспеченность с/х культур характеризуется такими показателями как сумма осадков за период активной вегетации, гидротермическим коэффициентом (ГТК) и запасами продуктивной влаги. ГТК представляет собой отношение выпавших осадков к расходу влаги (чем выше температура, тем больше расход влаги на испарение). ГТК более 1,6 характеризует переувлажненные условия; 1,4-1,6 - влажные; 1,2-1,4 - достаточно влажные; 1,0-1,2 - незначительно засушливые и ниже 1,0 - засушливые (Агроклиматические ресурсы БАССР, 1976). ГТК=Σ_{осадков}/(Σ_{температур}:10).

Как видно из таблицы 4, сорт Ирень, для которого наиболее ярко была выражена способность поддерживать высокий уровень транспирации при повышении температуры (табл. 2 и 3), давал максимальный урожай при возделывании в достаточно влажных условиях. Это был Балтачевский район, где в мае-июне значения ГТК чаще всего были в области 1,6 и выше. Высокие значения ГТК были также связаны с относительно низкой температурой и большим количеством осадков, характерным для данного района. Наиболее низкая продуктивность растений пшеницы сорта Ирень наблюдалась при его возделывании в Хайбуллинском районе, так как Хайбуллинский район характеризуется самой низкой влагообеспеченностью. Но даже в этом районе растений сорта Ирень дали неплохой урожай в 2002 году, когда уровень увлажнения в июне приближался к достаточному. Таким образом, результаты полевых испытаний вполне соответствовали тем предсказаниям, которые были сделаны на основании лабораторных экспериментов. Сорт Ирень формировал высокий урожай в условиях повышенной температуры при условии достаточного содержания влаги в почве.

Преимущества сортов, для которых было характерно быстрое закрытие устьиц при повышении температуры, проявлялось в районах с пониженным гидротермическим коэффициентом. Способность растений сортов Омская 20 и Ник экономить воду позволила им сформировать более высокий урожай в Хайбуллинском, более засушливом районе по сравнению с растениями сорта Ирень, у которых эта реакция отсутствует (табл.4).

Особый интерес представляет сорт Безенчукская 200. Для него было характерно сочетание обоих типов реакций: поддержание устьиц открытыми на первой стадии физиологического ответа и их закрытие - на второй. Такая пластичность, очевидно, могла обеспечить высокую адаптационную способность растений данного сорта, которые в зависимости от условий или поддерживали устьица открытыми или закрывали их. Важно то, что продуктивность растений этого сорта была самой высокой из изученных сортов (табл.4).

Измерение устьичной проводимости проводилось также у растений разных сортов, выращенных в полевых условиях Чишминского опытного хозяйства (ОПХ). Необходимо отметить, что там проходят испытания не все сорта, которые ранее нами рассматривались. Здесь вместо сорта Омская 20 как сорта экономящего воду, были взяты сорта Башкирская 26 и Казахстанская 10, устьица которых реагировали сходным образом, что и растения сорта Омская 20, т.е. закрывались при повышении температуры и снижении относительной влажности воздуха. Для сравнения взяты результаты, полученные в 2003 и 2004 гг., которые различались по степени влагообеспеченности в начале вегетации (табл.5).

В условиях отсутствия дефицита влаги сорт Ирень заметно превосходил по урожаю зерна два других сорта. Однако засуха приводила к более резкому снижению урожая данного сорта, чем это происходило у двух других сортов. В первом случае он снизился на 30%, а у сортов Казахстанская 10 и Башкирская 26 - менее чем на 20%.

Как видно из табл. 6 сортовые различия ярко проявлялись при изменении относительной влажности воздуха. Так 22 июня на фоне более низкой относительной влажности воздуха у некоторых сортов устьичная проводимость была в 1,5-2 раза выше, чем у других сортов. По сравнению с предыдущим измерением, которое проводилось на фоне более высокой относительной влажности воздуха 11 июня, устьичная проводимость, например, у растений сорта Ирень, Ник, Безенчукская 200 возрастала, а у растений сортов Казахстаная-10 и Башкирская-26 - снижалась. Необходимо отметить, что влажность почвы 22 июня оставалась высокой после дождей, которые прошли в первую декаду месяца. Поэтому сортовые различия в устьичной проводимости были обусловлены действием воздушной засухи.

Нами дополнительно были изучены разные гибридные линии пшеницы, находящиеся в селекционной работе в Чишминском ОПХ (табл.7). Параллельная оценка способности гибридных линий контролировать расход воды позволяет проводить первичную оценку гибридных линий. Так гибриды Л42-806 и Г42-812 имели сходную реакцию на изменение гидротермических условий с сортом Ирень (увеличение устьичной проводимости), а гибриды Л42-816 и Л42-798, как, например, сорт Башкирская 26 снижали устьичную проводимость (табл.7).

Наши данные позволяют понять причину неоднозначности связи между устьичной проводимостью и урожайностью растений. Они указывают на необходимость проведения оценки устьичной проводимости в условиях достаточной влажности почвы (полевой метод исследования). Определение гидравлической и устьичной проводимости в модельных опытах с повышением температуры воздуха необходимо для установления типа стратегии у селекционных образцов - первичного скрининга селекционного материала (лабораторный метод исследования).

Таким образом, как показал анализ результатов измерения устьичной проводимости листьев на полях Чишминской опытной станции, у растений, выращенных на почве, также наблюдалась контрастная реакция на увеличение транспирационного запроса. Снижение относительной влажности воздуха (которое естественным образом приводит к возрастанию транспирации) сопровождалось у сорта Ирень увеличением устьичной проводимости. Растения данного сорта вели себя в полевых условиях так же, как и лабораторных. Важно то, что высокий уровень транспирации у растений был обнаружен на фоне достаточной увлажненности почвы. В этих же полевых условиях был обнаружен и другой тип реакции: уменьшение устьичной проводимости у сортов Казахстанская 10 и Башкирская 26.

Итак, при диагностике селекционного материала основной алгоритм лабораторного исследования следующий: растения, которые при повышении температуры воздуха, на 4-5°С от исходной, снижают устьичную и гидравлическую проводимость корней, обладают засухоустойчивым типом регуляции водного баланса. Растения, которые в этих же условиях поддерживают или же повышают устьичную и гидравлическую проводимость, относятся к продуктивному типу регуляции водного баланса.

Полевые исследования проводятся при достаточном увлажнении почвы. Растения, которые при повышении дневной температуры, при достаточном увлажнении почвы, снижают устьичную проводимость относятся к засухоустойчивым сортам. Растения, повышающие устьичную проводимость, в данных условиях, характеризуются как продуктивные.

Способ определения регуляции водного баланса злаковых культур, включающий измерение устьичной проводимости листьев до и после повышения температуры атмосферы, отличающийся тем, что устьичную проводимость измеряют при температуре атмосферы 24°С и после повышения до 28°С и дополнительно измеряют гидравлическую проводимость корней при температуре атмосферы 24 °С и после повышения до 28°С, при снижении устьичной и гидравлической проводимости растение относят к засухоустойчивому типу регуляции водного баланса, при сохранении или повышении устьичной и гидравлической проводимости растение относят к продуктивному типу регуляции водного баланса.