Оценка возделываемых сортов яровой мягкой пшеницы на засухоустойчивость в условиях Красноярской лесостепи

Критерием засухоустойчивости принято считать лучшую продуктивность растения в условиях недостаточного водоснабжения и повышенной температуры воздуха. Реализуется засухоустойчивость через сложный генетически закрепленный комплекс взаимосвязанных физических и биохимических процессов. В настоящее время возможен учет этих процессов через показатели водообмена, белкового и нуклеинового обменов, проницаемости цитоплазмы, осмотического давления клеточного сока, а также активности ферментов, функциональной деятельности органоидов клетки, в частности, пластидного аппарата и его пигментного комплексов, митохондрий, ростовые и морфо-биологические изменения и т. д.

Выделить селекционные формы сортоовощных культур для открытого грунта, уникальные по отдельным или сумме признаков, составляющим засухоустойчивость, возможно только с применением физиолого-биохимических методов анализа в период напряженных водо- и термофакторов. Поэтому является актуальным знакомство с методами ранней диагностики засухо - и жаростойкости растений.

Методы диагностики засухо - и жаростойкости на уровне семян и проростков

Засухоустойчивость как комплексное свойство для каждой культуры играет важную роль в получении более или менее стабильных урожаев.

Для условий нашей страны это свойство особенно важно, так как обширная часть ее территории подвержена засухе. Из 230 млн. га пашни почти половина находится в зоне недостаточного увлажнения и только 22% посевов устойчиво обеспечено влагой.

Засушливая зона страны характеризуется недостаточным увлажнением (менее 250мм осадков в год) и составляет четвертую часть всей площади, на которой проживает почти одна треть населения. Основными метеорологическими показателями засухи являются:

1. Интенсивная солнечная инсоляция при безоблачном небе.

2. Высокая температура воздуха.

3. Низкая относительная влажность воздуха.

4. Отсутствие или неравномерное распределение осадков.

Выделяют следующие типы засух:

1. Весеннюю – с момента начала полевых работ и до июня.

2. Весенне – летнюю – развертывается в мае – июне и застает яровые хлеба в фазе кущения или после него. Эта засуха наносит большой ущерб хлебам при наступлении их вторичного укоренения.

3. Летне – осеннюю – наступает во второй половине лета, в июле, и поражает яровые в период налива зерна.

4. Комбинированную – наступает в разное время вегетации и чередуется с влажными периодами, в течение которых растения успевают поправиться от нанесенного им урона.

5. Устойчивую – охватывает наибольшую часть вегетации, с весны до июля включительно.

Существуют различные методы диагностики засухоустойчивости.

Следует различать методы диагностики засухоустойчивости и методы ее оценки. Методы диагностики бывают морфологические, физиологические и биофизические. К методам оценки относятся: вегетационный метод, использование засушников, суховейных камер, камер искусственного климата и полевой метод.

1 метод – Определение засухоустойчивости растений по прорастанию семян на растворах сахарозы

Метод основан на свойствах проростков развивать сосущую силу на растворах с повышенным осмотическим давлением.

Используются свежие семена со всхожестью не ниже 85% стандартного сорта, отличающегося высокой засухоустойчивостью (Саратовская 29) и семена образцов, подлежащих испытанию. Затем подбирают раствор сахарозы, при котором семена стандартного сорта давали бы всхожесть в пределах 50%. Приготовленный на дистиллированной воде раствор сахарозы кипятят для подавления возможного развития грибов и бактерий. Как правило, семена мягкой пшеницы проращивают на растворах с осмотическим давлением 18-22 атм. , твердой пшеницы – 16-20 атм..

Затем готовят чашки Петри для проращивания семян. При этом на дно каждой из них помещают фильтровальную бумагу, затем чашки стерилизуют обычным способом в сушильном шкафу в течение 1 часа при температуре 160 0С. После стерилизации в каждую чашку помещают по 48 семян и заливают их раствором сахарозы подобранной концентрации (7 мл. ). Опыт проводится в 3-кратной повторности. Одновременно 3 чашки Петри с семенами стандартного сорта и каждого образца семян заливают таким же количеством воды для контрольного определения лабораторной всхожести. После этого чашки Петри с семенами помещают в термостат при температуре 21 0С на 5-7 суток.

Концентрация осмотического давления растворов сахарозы

Подсчеты наклюнувшихся семян лучше проводить несколько раз: через 3, 5 и 7 дней. Подсчет семян дает возможность определить средний процент всхожести испытуемых образцов и стандарта. Для удобства сравнения образцов между собой и со стандартом всхожесть выражается в процентах от контроля.

2 метод - Определение засухоустойчивости по скорости появления второй пары зародышевых корешков

Характеризует темпы роста первичной корневой системы. В Восточной Сибири растения пшеницы поздно развивают вторичную корневую систему. Основную роль в закладке колоса и в формировании урожая играет первичная корневая система, прежде всего зародышевые корни. Создание сортов, устойчивых к весенне-летней засухе, требует поиска форм с хорошо развитой, мощной, с быстрыми темпами нарастания зародышевой корневой системой4.

Семена стандартного сорта, отличающегося высокой засухоустойчивостью, и испытываемых образцов проращивают в термостате и чашках Петри на воде (7 мл. ), предварительно разложив на фильтровальную бумагу по 48 штук. Повторность 3-кратная, температура 18-20 С. При этом на третьи сутки учитывают количество зерновок, имеющих 2 пары и более корешков. Процент семян с двумя парами зародышевых корешков рассчитывают по отношению к числу посеянных и всхожих семян.

3 метод - Определение жаростойкости растений по всхожести семян после прогревания

Метод основан на способности семян прорастать после воздействия повышенной температуры в сравнении с контролем.

Берутся здоровые, нормально развитые кондиционные по всхожести семена, предназначенные для испытания образцов. Далее по 48 семян при 3-кратной повторности помещают в пробирки с указанием на них номера образцов и заливают водой так, чтобы семена были погружены в нее. Затем пробирки с семенами прогревают в ультратермостате при температуре 54 0С в течение 20 минут. При этом уровень воды в ультратермостате должен равняться уровню воды в пробирке. После прогревания семена раскладывают в чашки Петри и заливают 5 мл воды. Одновременно с опытными семенами в чашки Петри помещают семена, не подвергавшиеся действию высокой температуры, и заливают их водой (7 мл. ). Затем чашки Петри с семенами ставят в термостат при температуре 20 0С на 7 суток. После этого учитывают процент всхожести прогретых и непрогретых семян каждого образца. Для того, чтобы всхожесть опытного варианта выразить в процентах от всхожести контрольного варианта, необходимо: всхожесть прогретых семян (m) разделить на всхожесть непрогретых семян (М) и умножить на 100% : (m /М х 100).

4 метод - Диагностика засухо- и жароустойчивости растений по изменению содержания статолитного крахмала

Материалы и оборудование: термостат, водяная баня, микроскоп, эксикатор, чашки Петри или часовые стекла, скальпель, раствор NaCl, 7,7%-ный раствор сахарозы, раствор Люголя (1% раствор йода в 2%-ом растворе йодистого калия), нейтральный красный (1:10000).

Статолитный крахмал, находящийся в корневом чехлике, играет большую роль в геотропической реакции растений. Известно, что статолитный крахмал почти не расходуется растением, и содержание его в корневом чехлике довольно константное. Однако выяснено, что статолитный крахмал гидролизуется при воздействии повышенной температуры и обезвоживании. Чем устойчивее растение к перегреву и обезвоживанию, тем с меньшей скоростью он растворяется. В основу метода положена степень гидролиза статолитного крахмала в клетках корневого чехлика при потере воды клетками и действии повышенных температур. Оценка количества оставшегося после гидролиза крахмала в клетках проводится по 5-бальной шкале и рассчитывается в баллах или процентах к контролю.

Исполузуются 2-дневные проростки с длиной корешков 1,0-1,5 сантиметров. Проращивание зерновок проводится в термостате при 25 0С. Для определения засухоустойчивости проростки раскладывают на часовые стекла или чашки Петри и помещают в эксикатор с раствором хлористого натрия (7,7%) на 18 часов. Опыт проводится в темноте при 20 0С. Для определения жароустойчивости проростки помещают в пробирки на 100 миллилитров, наполненные на 2/3 водой и ставят в ультратермостат или водяную баню на 1 час при температуре 37 0С. Не следует применять более высокие температуры и большие экспозиции при прогревании, так как при этом происходит быстрое разрушение ферментной системы в клетках неустойчивых сортов, что проявляется в отсутствии гидролиза крахмала. Это может привести к неправильной оценке сортов.

После обезвоживания и прогревания проростков необходимо проверить их жизнеспособность, для чего срезы корней окрашивают нейтральным красным в течение 2-3 минут, а затем в молярном растворе сахарозы просматривают под микроскопом для установления наличия плазмолиза.

У обезвоженных и прогретых проростков отрезают кончик корня (длиной 2-3см. ). Отрезанные корни окрашивают в течение 30 секунд раствором Люголя и просматривают под микроскопом. Наблюдения ведут при увеличении 10х10. Содержание крахмала в клетках корневого чехлика учитывают глазомерно по 5-бальной шкале. При максимальном содержании крахмала в клетках ставится высший балл –5, при отсутствии крахмала – низший балл-0.

5 метод - Определение засухоустойчивости растений по изменению выхода электролитов из листьев

Метод используется для диагностики засухоустойчивости на молодых растениях (фаза 2-3 листьев). Указанный метод характеризует повреждающий эффект обезвоживания на свойства проницаемости протоплазмы.

Полностью сформировавшиеся листья срезают, опускают срезом в воду и помещают во влажную камеру на 2 часа. За это время листья в значительной мере насыщаются водой и водный дефицит, который практически всегда имеется у растений, полностью ликвидируется. Затем из листьев берут 4-6 навесок по 0,5-1,0 грамму. После взвешивания, которое следует проводить быстро, чтобы избежать потери воды, три навески (контроль) помещают в коническую колбочку на 100 миллилитров и заливают дистиллированной водой (60мл). Другие три навески листьев помещают для завядания в термошкаф (засуха). Листья раскладывают на специальные сетки. Температура должна быть 28-30 0С, чтобы не сказывалось ее повреждающее действие и завядание проходило достаточно быстро. Время завядания листьев нужно устанавливать перед каждой серией опытов. При этом следует соблюдать обязательное условие – время завядания должно быть таким, чтобы листья стандартного засухоустойчивого сорта теряли не менее 49-50% воды от сырого веса при полном насыщении. После завядания навески листьев помещают в конические колбочки на 100 миллилитров и заливают 60 миллилитрами воды (как и контроли). Навеска листьев погружается в воду при помощи стеклянной палочки. Необходимо постоянно следить, чтобы листья не всплывали. Листья оставляют настаиваться на 2 часа при комнатной температуре для экзосмоса электролитов. По истечении этого срока листья вынимают из воды, предварительно перемешав раствор.

Измерение содержания электролитов проводится с помощью реохордного моста Р – 38. Для этого экстракт листьев наливают в ячейку, имеющую электроды из нержавеющей стали, и производят отсчет на шкале реохордного моста. Электропроводность растворов электролитов является величиной обратной по значению электролитическому сопротивлению.

Значение удельной электропроводности растворов электролитов, сопротивление которого измерено, определяется по следующей формуле:

Х = а : Rх ; где Х – удельная электропроводность раствора электролита (0м-1, см-1) при определенной температуре, Rx – измеренное сопротивление раствора электролитов, а – постоянная электрическая ячейка, которая зависит от геометрических размеров последней.

Значение удельной электропроводности при различных t 0С

Обычно а определяется опытным путем при измерении электропроводности контрольного раствора, для которого известна удельная электропроводность (Х). В качестве контрольного раствора употребляется раствор KCl. Дистиллированная вода, идущая на приготовление контрольного раствора, должна иметь удельную электропроводность не более 2,10 - 6 ом-1. см -1. Раствор KCl. должен быть приготовлен из химически чистого KCl, дважды перекристаллизованного.

Выход электролитов выражается в обратных Омах и, так как это является очень малой величиной, принято записывать его в целых числах, умноженных на коэффициент 10-6.

Следует подчеркнуть, что при оценке образцов показателем засухоустойчивости является не столько абсолютная величина выхода электролитов, сколько ее относительное значение, т. е. важно знать, во сколько раз при одном и том же времени завядания листьев увеличился выход электролитов у каждого образца по сравнению с собственным контролем. У более устойчивых образцов выход электролитов увеличивается по сравнению с контрольным вариантом в меньшее число раз.

Каждый из перечисленных методов характеризует лишь одну какую - либо строну сложного и многообразного свойства устойчивости к обезвоживанию и перегреву. Достоверность и надежность лабораторных оценок может быть достигнута только при использовании нескольких методов, основанных на разных принципах, при этом, чем полнее будут представлены стороны возможной реакции генотипа, тем надежнее будет связь между отзывчивостью фенотипа на условия выращивания и данными лабораторных оценок.

Лабораторией физиологии и биохимии растений СибНИИСХоза предложена комплексная ранняя диагностика селекционного материала пшеницы. Она заключается в том, что результаты определений, полученные каждым из указанных методов, представляются графически. Оценка сорту дается по площади, ограниченной линией, соединяющей отметки на шкале по каждому показателю. Определение площади проводится весовым методом или с помощью планиметра.

Засухоустойчивые и жароустойчивые сорта характеризуются наибольшими размерами суммарной оценки.

Исходный материал и методика исследований

В качестве исходного материала брали 4 сорта яровой мягкой пшеницы (Омская 32, Тулунская 12, Новосибирская 15, Ветлужанка), районированные в Красноярском крае и образец селекции КрасГАУ – 6. Исследования проводили в сентябре – декабре 2007г. Изучали 4 варианта:

1) контроль;

2) скорость появления второй пары зародышевых корней;

3) определение массы зародышевых корней;

4) определение жаростойкости по всхожести семян после прогревания при повышенной температуре.

Для каждого варианта отсчитывали 4 пробы по 100 семян.

Для определения скорости появления второй пары зародышевых корней использовали проращивание в рулонах. Нарезали фильтровальную бумагу размером: 110 х 20см2, прокаливали при температуре 105 0С – 2,5 часа. Затем в продезинфицированную чашу наливали воду, опускали туда 2 листа бумаги, после их вынимали и раскладывали семена пшеницы на расстоянии от края бумаги 2,5см. Затем закрывали семена намоченным одним слоем бумаги, скручивали фильтровальную бумагу в рулон и ставили их в растильни, в которые затем наливали воду. Помещали растильни в термостат для проращивания при температуре 18-20 0С (контроль) На третьи сутки после закладки опытов подсчитывали на всех 4 повторениях появление второй пары зародышевых корней и процент семян с двумя парами зародышевых корней от 100 высеянных всхожих (2 вариант). Через 7 суток зародышевые корни обрезали с каждого растения, взвешивали и рассчитывали их массу на один проросток (3 вариант).

Для четвертого варианта отсчитанные семена помещали в пробирку, наливали воду и помещали их в водяную баню для прогревания с одинаковым уровнем воды и выдерживали их при температуре 54 0С 20 мин. Затем закладывали их на всхожесть в рулоны наряду с контрольным вариантом и помещали в термостат при температуре 20 0С. Через 7 суток подсчитывали количество всхожих семян.

Обрабатывали статистические характеристики количественной изменчивости экспериментальных данных. Достоверность различий по изучаемым признакам (НСР05) определяли методом одно - двухфакторного дисперсионного анализа в лаборатории информатики агрономического факультета Красноярского Государственного Аграрного Университета.

Скорость нарастания второй пары зародышевых корней

Анализируя изучаемые образцы пшеницы по скорости нарастания второй пары зародышевых корней, мы видим, что только 2 сорта Ветлужанка и Новосибирская 15 достоверно отличаются от среднераннего стандарта Тулунская 12 и среднеспелого – Омская 32. У 3 образцов пшеницы, Омская 32, Тулунская 12, Линия 6 существенной разницы по изучаемому признаку не наблюдали. Их данные находились в пределах ошибки опыта.

Анализ скорости нарастания второй пары зародышевых корней

Сорта Ветлужанка и Новосибирская 15 способны быстрее формировать зародышевую корневую систему, а значит, в условиях весенней засухи они лучше будут развиваться и закладывать больше колосков и цветков в колосе.

Масса зародышевых корней

Для развития растений важно не только число корней на одно растение, но глубина их проникновения в почву и их масса.

Анализ массы корней на один проросток показал, что по сравнению со среднеранним сортом Тулунская 12 не выделился достоверно ни один сорт.

Анализ образцов пшеницы по массе зародышевых корней на один проросток, г

Если сравнивать сорт Ветлужанка по массе зародышевых корней на один проросток, то по отношению к нему представляют интерес Омская 32 и Новосибирская 15. По отношению к Линии 6 существенную разницу имеет сорт - Омская 32.

Анализ образцов пшеницы по массе зародышевых корней на один проросток, г

Жаростойкость изучаемых образцов пшеницы

По всхожести после прогревания при повышенной температуре наибольшие показатели имели сорта Омская 32 и Новосибирская 15. Как видим, изучаемые сорта способны при повышенных температурах воздуха и нагревании почвы выше оптимальных температур показывать высокую всхожесть.

У остальных сортов по сравнению с Омской 32 и Новосибирской 15 наблюдается существенное снижение показателей всхожести. Среднеранний сорт Тулунская 12 характеризуется самой низкой всхожестью. Он имеет достоверную разницу не только с Омской 32 и Новосибирской 15, но также с Ветлужанкой и Линией 6.

Сорта Омская 32 и Новосибирская 15 выделились наряду с жаростойкостью и по массе зародышевых корней, что указывает на их устойчивость к весенней и весенне-летней засухе.

Всхожесть образцов пшеницы после прогревания

Связь между изучаемыми признаками

Анализ коэффициентов частной корреляции показал, что между урожайностью и массой зародышевых корней существует достоверная связь. Она также выявлена между урожайностью и жаростойкостью растений. Обнаружена связь между массой зародышевых корней и жаростойкостью растений, т. е. чем больше масса зародышевых корней, тем выше засухоустойчивость растений. Если корреляция доказана, то это значит, что существует сопряженность в вариации двух признаков.

Коэффициенты частной корреляции 2-го порядка

Признаки Урожайность Масса зародыш. Скорость появления Жаростойкость растений корней второй пары зародыш.

1. Урожайность 1,000 -0,8345* 0,2926 0,8423*

2. Масса зародыш. корней

3. Скорость появления второй пары -0,8345* 1,000 0,4928 0,8172*

зародыш. корней

4. Жаростойкость растений

0,2926 0,4298 1,000 -0,1633

0,8423* 0,8172* -0,1633 1,000

Пороги достоверности: на уровне 1%: R= 0. 6180 на уровне 5%: R= 0. 5382

1. По скорости нарастания второй пары зародышевых корней выделились сорта: Ветлужанка, Новосибирская 15.

2. По массе зародышевых корней на одно растение и жаростойкости представляют интерес сорта: Омская 32 и Новосибирская 15.

3. Выявлена сопряженность между урожайностью и массой зародышевых корней у проростков, между урожайностью и жаростойкостью растений. Обнаружена достоверная связь массы зародышевых корней с жаростойкостью растений: чем выше процент жаростойкости семян, тем выше урожайность; чем больше масса зародышевых корней, тем устойчивее растения к засухе.

4. Представленные методики рекомендуется применять для определения засухо – и жаростойкости растений на уровне семян и проростков в том числе и овощных культур, выращиваемых на дачах и огорода

Справочная информация используемых сортов

Новосибирская 15

Сорт селекции СибНИИРСа. Разновидность лютесценс. Родословная: межсортовая ступенчатая гибридизация [(Безенчукская 98 х Иртышанка 9) х Тулунская 10) х Новосибирская 22].

Включен в Госреестр по краю в 4-й и 5-й зонах. Куст полупрямостоячий. Соломинка выполнена слабо, с сильным опушением верхнего узла. Колос цилиндрический, средней плотности, белый. Зерно яйцевидное, окрашенное, хохолок короткий. Масса 1000 зерен 34-36 г. Раннеспелый, созревает одновременно с Тулунской 12 или раньше на 2-3 дня.

Сорт обладает высокой устойчивостью к полеганию, пыльной головней поражается слабо, но восприимчив, к поражению твердой головней. По содержанию белка и клейковины в зерне превосходит Тулунскую 12, отвечает требованиям для сильных пшениц.

Новосибирская 15

Тулунская 12. Выведен на Тулунской ГСС методом индивидуального отбора из гибридной популяции Бирюсинка х яровая форма из Безостой 1. Разновидность - лютесценс. Автор сорта А. Е. Юдин.

Сорт среднеранний, интенсивного типа, высокоурожайный, но требователен к условиям возделывания. Максимальная урожайность получена на Таштыпском ГСУ в 1987 г. Размещать в севообороте следует преимущественно по пару. Сорт обладает высокой устойчивостью к полеганию. По длине вегетации данный сорт близок к Скале. Болезнями и вредителями поражается в средней степени. Засухоустойчивость не высокая. В годы с влажной осенью он склонен к прорастанию зерна в валках и на корню. По технологии возделывания он также близок к Скале.

ВЕТЛУЖАНКА

Сорт выведен в Восточно-Сибирском селекционном центре индивидуальным отбором из гибридной популяции Бурятская х Мана. Разновидность - лютесценс. Авторы сорта А. В. Сидоров, Г. А. Пушкина и др.

Сорт среднеспелый, урожайный. Длина вегетационного периода 90-100 дней, высота стеблестоя 68-120см, устойчивость к полеганию 4,8 балла, масса 1000 зерен 28-43 г. Сорт устойчив к пыльной головне. Хлебопекарные качества хорошие. Сильная пшеница. Сила муки в годы станционного сортоиспытания 373-499 е. а. , у Саратовской 29 – 297-381 е. а.

Включен в Госреестр с 1993 г.

ОМСКАЯ 32

Выведен в Сибирском НИИСХ, отбором из комбинации Лютесценс 162/84-1 х Chris (США). Включен в Госреестр по центральным лесостепным зонам края (V,VI) с 2001 г.

Разновидность - лютесценс.

Куст полупрямостоячий. Соломина выполнена слабо, восковой налет средний. Флаговый лист имеет сильный восковой налет и слабую антоциановую окраску ушек. Колос цилиндрический, плотный или средней плотности, белый. Плечо прямое, узкое. Зубец слегка изогнутый, короткий. Зерно яйцевидное, окрашенное, с длинным хохолком.

Высокопродуктивный: при средней урожайности от 25 до 44 ц/га превысил стандарт на 2,5 - 5 ц/га. Максимальная урожайность получена на Канском сортоучастке в 49 ц/га.

Сорт среднеспелый, вегетационный период 86 - 92 дня. Зерно крупное: масса 1000 зерен 35 - 42 г.

Устойчивость к полеганию выше средней (4,5 - 5,0 баллов). Хлебопекарные качества хорошие.

Линия 6

Выведен в КрасГАУ, отбором из комбинации [(86/76 х 376/83) х Лютесценс 25]. Разновидность - Erithrospermum.

Сорт среднеспелый, вегетационный период 84 - 93 дня. Зерно крупное: масса 1000 зерен 36 - 44 г.

Устойчивость к полеганию выше среднего (4,5 - 5,0 баллов). Хлебопекарные качества хорошие