Способ выявления саженцев карельской березы с потенциальной способностью формировать узорчатую древесину
Владельцы патента RU 2621254:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт леса Карельского научного центра Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к области лесного хозяйства, в частности к экофизиологии древесных растений, и может быть использовано при выявлении саженцев карельской березы в питомниках и на лесосеменных плантациях. Способ включает определение темнового дыхания морфологических органов в вегетационный период с помощью газоанализатора у растений карельской березы и березы повислой с последующим сравнительным анализом. Темновое дыхание определяют в период активного камбиального роста. В качестве исследуемого морфологического органа используют стволики или ветви 1-го порядка. Растения карельской березы, у которых величина темнового дыхания на 30 и более процентов превосходит величину дыхания березы повислой, относят к карельской березе с потенциальной способностью формировать узорчатую древесину. Способ позволяет повысить точность выявления саженцев карельской березы с потенциальной способностью формировать узорчатую древесину на ранних стадиях произрастания до проявления внешних признаков узорчатости. 1 ил.
Изобретение относится к области лесного хозяйства, в частности к экофизиологии древесных растений, и может быть использовано при выявлении саженцев карельской березы с потенциальной способностью формировать узорчатую древесину.
Карельская береза (Betula pendula Roth var. carelicd), форма березы повислой (Betula pendula Roth), в местах ее естественного произрастания оказалась на грани исчезновения. Оригинальная текстура древесины карельской березы формируется в результате отклонений в деятельности камбия. В семенном потомстве карельской березы происходит неполное наследование узорчатости древесины и создается высокая изменчивость признаков, при которой, наряду с особями карельской березы, образуются особи, морфологически идентичные березе повислой.
Известен визуальный способ выявления растений карельской березы с узорчатой структурой по формам поверхности ствола, наличию бугорчатости или ребристости. (Любавская А.Я. Карельская береза. Лесная промышленность, 1978, 157 с.). Однако внешние косвенные признаки поверхности ствола, используемые в данном способе, не всегда проявляются в раннем возрасте.
Известен способ выявления узорчатой древесины, основанный на сравнительном анализе скорости распространения ультразвуковых сигналов, прошедших через древесину карельской березы и березы повислой. Способ позволяет различать образцы узорчатой карельской березы от березы повислой и применяется на брусках или коротких бревнах деревьев 13-летнего возраста в лаборатории. Точность оценки узорчатости при снятии коры с образцов достигала 90%. С корой точность оценки уменьшалась. Анализ сигналов проводился с помощью кластерного анализа (Salmi A., Hintikka Т., Karppinen Т., Forsman P., Computerized ultrasound differentiation of curly birch from silver birch / Appl. Phys. 2007. 101, 024906; http://dx.doi.org/10.1063/1.2424531; Salmi A., Hintikka Т., Karppinen Т., Forsman P., Automated differentiation of curly and silver birch by ultrasound / J. Appl. Phys. 2009. 105, 024902; http://dx.doi.org/10.1063/1.3068199).
Недостатком способа является необходимость использования специализированного и малодоступного физиологам и лесоводам оборудования, ограничивающего его применение в практике. Способ предполагает сложную процедуру математического анализа затухания ультразвуковой волны. Кроме того, изменение влажности воздуха в лаборатории снижает точность оценки. Чтобы минимизировать результат влияния влажности в различных образцах, их необходимо выдерживать в течение недели в факторостатных условиях при 22°С, 50% относительной влажности. Способ не пригоден для использования в полевых условиях на живых деревьях.
Наиболее близким по сущности к заявляемому является способ выявления саженцев карельской березы с потенциальной способностью формировать узорчатую древесину, по которому у зрелых листьев 3-5-летних саженцев карельской березы и березы повислой в период интенсивного роста побегов с помощью газоанализатора определяют темновое дыхание. Растения карельской березы с величиной темнового дыхания листьев, на 8-12% превышающие величины темнового дыхания листьев березы повислой, относят к карельской березе с потенциальной способностью формировать узорчатую древесину (Болондинский В.К., Виликайнен Л.М. Исследование световой зависимости фотосинтеза у саженцев березы в норме и в условиях почвенной засухи // Структурные и функциональные отклонения от нормального роста и развития растений под воздействием факторов среды: Материалы Международной конференции. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2011. С. 38-42).
Недостатком способа является то, что метод имеет низкую точность оценки, не превышающую 10%. Дыхание зависит от возраста листа. К тому же процесс дыхания, как и фотосинтез, характеризуется высокой физиологической пластичностью и широкой нормой реакции. Реакция дыхания листьев карельской березы и березы повислой на неблагоприятные факторы среды может быть неодинакова, что еще больше снижает точность метода.
Задачей предлагаемого изобретения является создание эффективного способа выявления на ранних этапах развития растений карельской березы с потенциальной способностью формировать узорчатую древесину до проявления внешних признаков узорчатости.
Техническим результатом заявляемого способа является повышение точности выявления саженцев карельской березы с потенциальной способностью формировать узорчатую древесину.
Технический результат достигается тем, что в способе выявления саженцев карельской березы с потенциальной способностью формировать узорчатую древесину, включающем определение темнового дыхания морфологических органов в вегетационный период с помощью газоанализатора у карельской березы и березы повислой с последующим сравнительным анализом, согласно изобретению темновое дыхание определяют в период активного камбиального роста, а в качестве исследуемого морфологического органа используют стволики или ветви 1-го порядка, при этом растения карельской березы, у которых величина темнового дыхания на 30% превосходит величину дыхания березы повислой, относят к карельской березе с потенциальной способностью формировать узорчатую древесину.
Способ осуществляют следующим образом.
Выявление берез, потенциально способных в дальнейшем формировать узорчатую древесину по темновому дыханию, апробировано в течение 2008-2015 гг. на 25 саженцах, выращенных из семян карельской березы, полученных с помощью контролируемого опыления, на плантации агробазы Карельского научного центра РАН. У 3-5-летних саженцев, у которых отсутствовали внешние признаки узорчатости, в вегетационные периоды 2008-2009 гг. измеряли темновое дыхание стволиков или ветвей 1-го порядка с использованием переносного газоанализатора Li-6200 (Licor, USA) (можно использовать более распространенные портативные газоанализаторы Li-820 или Li-840). К газоанализатору присоединяется специальная камера из дюралюминия, закрепляемая на ветви или стволике. В течение одной минуты проводили три измерения по замкнутому циклу, после чего камера проветривалась. После 3-5 серий таких измерений камера переустанавливалась на другую ветвь или ствол. После каждой серии из трех измерений газоанализатор проводил расчеты и записывал в память информацию о выделении СО2 с поверхности ветви, а также параметры внешней среды. Далее определялась площадь находящейся в камере части ветви и рассчитывалось дыхание в мкмоль⋅CO2 м-2⋅с-1.
Было получено >200 усредненных величин темнового дыхания стволиков и ветвей 1-го порядка.
В качестве контроля параллельно проводили:
- измерение темнового дыхания у 5-летних саженцев березы повислой (проведено >250 измерений);
- измерение темнового дыхание у 5-летних саженцев карельской березы с внешними признаками узорчатости древесины (проведено >500 измерений).
Проводимые измерения показали, что на протяжении вегетационного сезона разница в дыхании ветвей карельской березы и березы повислой изменялась в зависимости от метаболической активности живых тканей ствола. В период до активного камбиального роста средние величины дыхания у ветвей и стволиков саженцев диаметром 10-14 мм составляли у березы повислой и карельской березы соответственно 4,6 и 5,3 мкмоль⋅м-2⋅с-1, во время интенсивного камбиального роста (начало июля - первая половина августа) - 12,3 и 17,6 мкмоль⋅м-2⋅с-1, и в период торможения камбиального роста (вторая половина августа) - 4,1 и 6,2 мкмоль⋅м-2⋅с-1. Наиболее оптимальным временем для проведения сравнительных исследований дыхания является период высокой метаболической активности тканей.
После обработки данных полученные средние и максимальные величины темнового дыхания для каждого тестируемого саженца карельской березы сравнивают со средними и максимальными величинами темнового дыхания, измеренными на ветвях 1-го порядка у растущих рядом деревьев березы повислой. По результатам исследований из группы 25-ти 3-5-летних саженцев карельской березы без внешних признаков узорчатости, у 16 саженцев средние величины темнового дыхания стволиков и ветвей 1-го порядка превышали средние величины темнового дыхания ветвей 1-го порядка саженцев березы повислой на 30%, а максимальные значения - на 40-60%, что значительно точнее, чем при проведении сравнительных измерений дыхания на листьях. Через 6 лет в 2015 году было обнаружено, что у 12 из 16 саженцев, дававших повышенное дыхание, появились характерные утолщения ствола, свидетельствующие о начале формирования узорчатой структуры древесины. У 8 из 9 саженцев, имевших в 2009 г. средние величины темнового дыхания стволиков и ветвей 1-го порядка на 5-10% больше, чем средние величины темнового дыхания ветвей березы повислой, до сих пор каких-либо аномалий замечено не было и, возможно, их не будет и в будущем. На основании анализа данных выявлено, что:
- саженцы карельской березы, у которых разница в величинах темнового дыхания в сравнении с величинами дыхания березы повислой ≥30%, относим к деревьям с потенциальной способностью формировать узорчатую древесину;
- при разнице в величинах темнового дыхания саженцев карельской березы с величинами дыхания березы повислой ≤10%, их относим к деревьям, у которых потенциальная способность формировать узорчатую древесину крайне мала, и их желательно удалить из посадок;
- при разнице от 30% до 10% необходимы дальнейшие наблюдения.
Для дополнительной проверки метода в 2008-2009 гг. сравнивались средние величины темнового дыхания у ветвей 1-го порядка 5-6-летних саженцев карельской березы с внешними признаками узорчатости древесины и параллельно с ними измерявшиеся величины темнового дыхания у ветвей 1-го порядка 5-6-летних саженцев березы повислой. Измерения проводились в 2008-2009 гг. в начале камбиального роста (01-04.07), в период интенсивного камбиального роста (16-31.07) и в период его завершения (05-21.08). На диаграмме (Фигура 1) представлены средние значения дыхания ветвей 1-го порядка у 5-6-летних саженцев карельской березы (белые столбики) с внешними признаками узорчатости древесины и березы повислой (черные столбики).
В период интенсивного камбиального роста разница средних величин темнового дыхания у ветвей 1-го порядка саженцев карельской березы и средних величин темнового дыхания у ветвей березы повислой была ≥30%. Такая же ситуация наблюдалась и в период завершения камбиального роста, но разница максимальных величин темнового дыхания карельской березы и березы повислой была <40%, в то время, как в период интенсивного камбиального роста - ≥60%. В период затухания камбиального роста корреляция между величинами темнового дыхания и потенциальной способностью формировать узорчатую древесину была менее устойчивой, чем в период интенсивного камбиального роста. Кроме того, установлено, что наилучшие результаты метод дает в утренние часы (до полудня) и при отсутствии атмосферной и тем более почвенной засухи.
Таким образом, анализ данных, полученных на саженцах карельской березы и березы повислой, показал, что величина темнового дыхания, измеренная в период активного камбиального роста, в наибольшей степени коррелирует с потенциальной способностью формировать узорчатую древесину. В период активного камбиального роста точность метода составляет около 75%, а в завершающий период камбиального роста - примерно 50%, что в 6-7 раз выше, чем в прототипе. Саженцы березы, у которых величина темнового дыхания на 30 и более процентов превосходит величину дыхания березы повислой, и в дальнейшем проявляют визуальные признаки карельской березы, что свидетельствует о формировании характерной узорчатой структуры древесины.
Преимуществом способа является возможность у саженцев карельской березы на ранних этапах роста выявлять потенциальную способность формировать декоративную древесину до проявления внешних признаков узорчатости. Способ может применяться в теплицах, в питомниках и полевых условиях, достаточно простой и не приводит к нарушению целостности саженцев.
Способ выявления саженцев карельской березы с потенциальной способностью формировать узорчатую древесину, включающий определение темнового дыхания морфологических органов в вегетационный период с помощью газоанализатора у растений карельской березы и березы повислой с последующим сравнительным анализом, отличающийся тем, что темновое дыхание определяют в период активного камбиального роста, а в качестве исследуемого морфологического органа используют стволики или ветви 1-го порядка, при этом растения карельской березы, у которых величина темнового дыхания на 30 и более процентов превосходит величину дыхания березы повислой, относят к карельской березе с потенциальной способностью формировать узорчатую древесину.
