Морфолого-анатомические и физиологические методы оценки селекционного материала. Учебно-методическое пособие для проведения занятий большого практикум

Основным условием успешного сравнения сортов по накоплению сухой биомассы является идентичность биологического времени взятия проб. Это требование обусловлено тем, что в фазе цветения еще продолжается интенсивный рост двух верхних междоузлий стебля и начинается накопление сухого вещества в зерновках, в связи с чем соотношение между органами побега непрерывно изменяется. Учитывая, что определение фазы цветения довольно сложно, поскольку цветение может начаться до выколашивания, а в пределах делянки достаточно растянуто во времени, оправдывает себя следующий подход – проба берется через два дня после колошения. При этом в пробу отбирают растения, колос которых полностью вышел из влагалища, но длина колосоножки не превышает 2– 2.5 см. Взятие второй пробы – фаза полной спелости – при отсутствии затяжных дождей и полегания не имеет методических трудностей (Кумаков и др., 2001).

В лаборатории биологии развития МГУ в период 1960–1980 гг. был разработан метод структурного анализа продуктивных возможностей сортов пшеницы и ржи по элементам урожая, учитывающий вклад различных морфотипов (биотипов) агропопуляции растений в продуктивность сорта. Одним из первых значимость этого признака в потенциальной урожайности сорта отметил С. Бороевич (1984). Метод структурного анализа созревших растений по элементам продуктивности позволяет ретроспективно судить об особенностях морфогенетических процессов у растений в пределах поля на трёх последовательных периодах онтогенеза растений: 1-й – от всходов до перехода растения в генеративную фазу (определяется по числу заложившихся колосков); 2-й – от начала генеративной фазы до оплодотворения (определяется по числу зерновок в колосе); 3-й – от момента завязывания зерновок до полного их налива (определяется по среднему весу одной зерновки колоса).

Метод структурного анализа селекционных форм может быть эффективен и дать достаточно полную информацию о природе сорта и особенностях его вегетации только при наличии каких-либо контрольных величин, к которым относятся количественные величины испытываемой формы. Сравнение среднеарифметических величин отдельных количественных показателей с генеральными среднеарифметическими для сорта в целом в порядке, соответствующем заложению этих признаков в течение онтогенеза, позволяет учесть, насколько конкретные условия вегетации соответствуют потребностям сорта на отдельных этапах морфогенеза. Лимиты количественных показателей элементов продуктивности показывают обнаруженные в конкретном посеве уровни, максимальный и минимальный, органообразовательных процессов при формировании того или иного признака (Морозова, 1983).

21

Вариационные ряды и кривые распределения показателей элементов продуктивности несут еще большую информацию об органообразовательных процессах у растений посева. Кривая распределения с четко выраженным эксцессом свидетельствует об отлаженности в пределах популяции того или иного морфогенетического процесса. Асимметрия эксцесса кривой по отношению к максимальному и минимальному лимитам показывает, какой уровень интенсивности процесса, высокий или низкий, характерен для растений посева. Депрессивные кривые распределения без пика свидетельствуют о том, что у растений в популяции морфогенетические процессы при формировании того или иного элемента продуктивности не отлажены (Морозова, 1983).

Совмещение вариационных кривых по классам интенсивности для всех основных элементов продуктивности на одном графике создает наглядную характеристику биологических хозяйственно ценных особенностей сорта и количественно показывает сильные и слабые стороны сорта, степень сбалансированности процессов роста и развития при формировании элементов продуктивности сорта (Морозова, 1983).

Метод структурного анализа побегов пшеницы (Морозова, 1983, 1986), как отмечают некоторые исследователи (Тороп, 2009), не нашел широкого применения в селекционной практике, т. к. оценка сбалансированности сорта в разных условиях вегетации не позволяет определить его потенциальную урожайность.

Для устранения этого недостатка и применения метода в селекции Е. А. Тороп, А. А. Тороп (2009) предлагают критерии (коэффициенты) несогласованности KI и KII. Первый представляет собой сумму максимальных отклонений по интенсивности, коэффициентам асимметрии (As)

иэксцесса (Ex) между кривыми распределения значений числа цветков

изерен в колосе, а также массы зерновки, второй – сумму максимальных отклонений только по As и Ex. Однако применение этого метода, достаточно сложного в исполнении, нивелирует значимость морфотипического разнообразия растений сорта в урожае зерна.

Более точным критерием морфогенетического потенциала сорта и, соответственно, его урожайности является морфогенетический индекс продуктивности (МИП) для каждого из элементов продуктивности колоса – числа колосков и зерновок, их массы (Степанов и др., 2013). О существенной информативности данного показателя свидетельствует высокий коэффициент корреляции в условиях 2011 г. между МИП и урожайностью сорта (k = 0,98). Предлагается следующая формула расчёта МИП:

МИП = (n1 ×k1 + n2 ×k2 + . . . + n6 ×k6)/n1 + n2 + . . . + n6,

где n – число растений соответствующего класса вариационного ряда, k – класс вариационного ряда.

22

Методика. Для определения МИП каждого из элементов продуктивности (числа побегов, колосков и зерновок колоса, массы зерновки) опыты закладываются в 3–9-кратной повторности. В пробу берут по 30 растений каждого сорта с каждой из повторностей, которые объединяют в лабораторные повторности, что позволяет обеспечить достаточную репрезентативность выборки. В дальнейшем проводят анализ структуры побега, определяя число боковых побегов, число колосков и зерновок колоса, массы зерновок. На основании учёта этих признаков для каждого растения определяется распределение растений в агропопуляции по 6 классам вариационного ряда. В дальнейшем можно определить МИП по каждому из исследуемых сортов. В дополнение можно построить вариационные кривые для каждого из элементов продуктивности и оценить степень сбалансированности их развития в онтогенезе растения.

Применение методики определения МИП для оценки яровой и озимой форм пшеницы сортов саратовской селекции

При оценке морфогенетического индекса продуктивности группы сортов яровой мягкой пшеницы, рассчитанного как среднее от суммарного значения МИП по числу и массы зерновок, было показано, что его величина варьирует от 2,23 (Лютесценс 62) до 3,52 (Саратовская 52) (рис. 2).

Согласно нашим расчётам, в период вегетации 2011 г. наиболее низкие значения МИП наблюдались среди стародавних сортов саратовской селекции – Полтавка, Саррубра, Лютесценс 62. Для большинства сортов его значения составляют 3 и более. Выделяется группа сортов с повышенными значениями МИП (3,25–3,55): Саратовская 73, Саратовская 70, Саратовская 68, Прохоровка, Альбидум 31, Саратовская 52 (см. рис. 1). Учитывая, что максимальное значение МИП по каждому из элементов продуктивности колоса равно 6, можно с большой долей вероятности предполагать дальнейшее повышение урожайности новых сортов яровой мягкой пшеницы, имеющих более высокий, чем у имеющихся сортов, МИП.

Изучение распределения растений в агропопуляции озимой пшеницы по общему числу побегов позволило выявить следующее: у большинства сортов число классов вариации составляло преимущественно 4–5, в отдельные годы вегетации у некоторых сортов отмечалось 3, 6 классов; как правило, большая часть растений каждого из сортов представлена во 2-м

и3-м классах вариации; в отдельные годы, благоприятные для кущения

исохранения боковых побегов, в агропопуляции растений максимальное число растений у некоторых сортов может наблюдаться в 4-, 5- и 6-м классах.

Условия вегетации растений существенно сказываются на их распределении по классам вариации количества колосков в колосе побега. Более

23

Рис. 2. Морфогенетический индекс продуктивности сортов пшеницы, рассчитанный как среднее от суммарного значения МИП по числу и массе зерновок

благоприятные погодные условия в период инициации и роста, развития зачаточного колоса повышают число растений, относимых к более высоким классам вариации.

24

По такому элементу продуктивности колоса, как число зерновок колоса, число классов вариации в агропопуляции растений варьировало от 2 (у некоторых сортов) до 6 (у отдельных сортов). В разные годы репродукции в агропопуляции растений озимой пшеницы выделялось преимущественно от 4–5 классов, в единичных случаях до 6 у некоторых сортов. Высокие температуры и недостаток влаги в фазу цветения пшеницы приводят к тому, что доля растений более низких классов (2-го и 3-го)

вагропопуляции того или иного сорта возрастает. В благоприятных условиях вариабельность растений по числу зерновок в колосе увеличивается с возрастанием доли растений 4–5-го классов вариации.

По такому элементу продуктивности колоса, как масса зерновки, число классов вариации в агропопуляции растений варьировало от 2 (у некоторых сортов) до 6 (у отдельных сортов). В разные по погодным условиям годы репродукции в агропопуляции растений преимущественно выделялось от 3–4 до 5–6 классов. Высокие температуры и недостаток влаги

впериод налива зерновок приводят к возрастанию числа растений, у которых масса зерновки будет в более высоких классах вариации с уменьшением числа классов вариации. В более благоприятных условиях для эмбриогенеза и налива зерновки вариабельность по их максимальной массе возрастает с преимущественным представительством растений 3-го и 4-го классов вариации.

По совокупности развития тех или иных элементов продуктивности колоса главного побега выделяются более выдающиеся сорта: по числу колосков – Саратовская 90, Губерния, Эльвира, Саратовская 8; по числу зерновок колоса – Эльвира, Жемчужина Поволжья; по массе зерновок колоса – Саратовская 17, Саратовская 8, Саратовская 90, Созвездие, Лютесценс 230; по общему числу побегов кущения за исследуемые годы лучшими сортами являются Эльвира, Губерния, Саратовская 90, Саратовская 8.

Как показали исследования МИП по общему числу побегов за изученные периоды вегетации варьировал у разных сортов от 1,8 (Саратовская 90) до 4,7 (Саратовская 8). В среднем за эти годы наименьшие значения МИП по общему числу побегов свойственны сортам Виктория 95, Жемчужина Поволжья. Наибольшие значения МИП по общему числу побегов характерны сортам Саратовская 90, Саратовская 8, Мироновская 808, Созвездие (табл. 4).

Морфогенетический индекс продуктивности по числу колосков колоса за анализируемые периоды вегетации варьировал от 2,4 (Саратовская 90) до 5,43 (Созвездие). В среднем за эти годы меньшие значения МИП числа колосков установлены у сортов Калач 60 и Мироновская 808, большие значения – у сортов Губерния, Созвездие, Саратовская 17 и Саратовская 8 (рис. 3).

25

Таблица 4

Морфогенетический индекс продуктивности сортов озимой пшеницы по общему числу побегов

Морфогенетический индекс продуктивности по числу зерновок колоса за изученные периоды вегетации варьировал от 2,04 (Саратовская 90) до 4,13 (Созвездие). Минимальный размах вариации МИП числа зерновок наблюдался у Мироновской 808 и Лютесценс 230, максимальный – у Саратовской 90, Калача 60. В среднем за эти годы репродукции наименьшие значения МИП числа зерновок свойственны Виктории 95 и Саратовской 17, наибольшие – Саратовской 8 и Жемчужине Поволжья.

Морфогенетический индекс продуктивности по массе зерновок в изученные нами периоды вегетации озимой пшеницы составлял от 2,52 (Калач 60) до 4,67 (Саратовская 90). Наименьший размах вариации МИП по массе зерновки характерен для Саратовской остистой, наибольший – для Калача 60. В среднем за эти годы репродукции меньшие значения МИП массы зерновки свойственны Калачу 60 и Виктории 95, большие – Саратовской 90, Саратовской остистой и Созвездию.

По результатам оценки МИП по 4 элементам (числу побегов, числу колосков и зерновок колоса, массы зерновок) можно заключить:

1)наблюдаются существенные межсортовые различия по МИП каждого из элементов продуктивности. При своем максимальном значении, равном 6, полученные расчётные значения МИП позволяют говорить о возможности дальнейшего роста урожайности сортов саратовской селекции с учётом вклада в урожай каждого из элементов продуктивности;

26

Рис. 3. МИП сортов по числу колосков колоса в разные годы репродукции

2)у одного и того же сорта значения МИП каждого из элементов продуктивности по годам вегетации могут варьировать, при этом у некоторых сортов наблюдается больший размах вариации: по числу побегов – Саратовская 90, Саратовская 8, Саратовская 17; по числу колосков колоса – Саратовская 90, Созвездие, Саратовская 17; по числу зерновок колоса – Саратовская 90, Калач 60, Саратовская 17; по массе зерновок – Калач 60, Эльвира и Саратовская 90. Больший размах вариации МИП каждого из элементов продуктивности побега свидетельствует о широкой пластичности сорта в разных погодных условиях вегетации;

27

3)большие значения МИП относительно сорта-стандарта Мироновская 808 наблюдались по следующим признакам: по общему числу побегов – только у некоторых сортов озимой пшеницы саратовской селекции в отдельные годы: Саратовской остистой, Саратовской 8, Саратовской 90, Саратовской 17 и Созвездия; по числу колосков колоса, как правило, у всех сортов; по числу зерновок колоса у большинства сортов; по массе зерновок колоса только у некоторых сортов саратовской селекции – Саратовской 8, Саратовской 90, Саратовской 17 и Созвездия.

2.2. Методика определения содержания пигментов фотосинтеза и соотношения между ними в полевых и лабораторных условиях при осмотическом стрессе

Фотосинтезу принадлежит центральная роль в общей энергетике растений и животных организмов, поскольку именно этот процесс служит первичным источником всей энергии, используемой живыми организмами в процессе жизнедеятельности. Фотосинтетические пигменты представлены: 1) хлорофиллами – известно 10 разных их структурных форм, в том числе хлорофиллов a, b, с, d; 2) каротиноидами (изучено более 100 модификаций: a – оранжевые или красные пигменты каротины {С40Н5б}; b – желтые ксантофиллы {С40Н5бО2 и С40Н5бО4}; с – каротиноидные кислоты – продукты окисления каротиноидов с укороченной цепочкой и карбоксильными группами); 3) фикобилинами (Кахнович, 1980; Холл, Рао, 1983; Полевой, 1989). Кроме того, одна и та же химическая структура в живом листе в комплексе с белками и липидами образует целую серию так называемых нативных форм. Обычно в нормальных зеленых листьях содержание хлорофилла колеблется от 0,5–3 мг на 1 г свежего веса при отношении a/b = 2,5–3,0. Содержание каротиноидов – 0,1–0,5 мг/г свежего веса. Отношение суммы хлорофиллов a + b/каротиноиды = 3–8 (Гавриленко, Жигалова, 1980, 2003).

Фотосинтезу пшеницы издавна уделялось большое внимание, так как с ним связывали формирование урожая этой важнейшей сельскохозяйственной культуры. Пшеница – излюбленный объект при изучении особенностей биосинтеза хлорофилла в процессе зеленения. При освещении сначала образуется хлорофилл a, в то время как хлорофилл b начинает накапливаться в заметных количествах лишь через 4 часа после начала освещения этиолированных проростков. Интенсивность образования хлорофилла при зеленении зависит от состояния листьев и условий проведения опытов. Содержание хлорофилла приближается к обычному, характерному для зеленых листьев уровню приблизительно через полтора дня после начала непрерывного освещения этиолированных проростков

28

пшеницы. В настоящее время можно считать доказанным, что этот стационарный уровень обусловлен равенством скоростей синтеза и распада молекул хлорофилла, его постоянным обновлением в листьях. Интенсивность обновления хлорофилла зависит от условий существования растений (Кахнович, 1980). После окончания процесса зеленения содержание хлорофилла увеличивается до начала цветения, а затем уменьшается. При этом содержание хлорофилла a изменяется сильнее, чем хлорофилла b, вследствие чего отношение хлорофиллов a/b в ходе онтогенеза пшеницы изменяется, достигая максимума в фазе начала цветения. Задержка развития на световой стадии неблагоприятным фотопериодом останавливает накопление хлорофилла a и почти не отражается на содержании хлорофилла b (Савченко, 1974; Сахарова, 1975).

На примере яровой пшеницы Диамант показано, что имеется связь между развитием растений и содержанием каротиноидов в листьях. Содержание каротина связано с фотопериодической индукцией и увеличивается при переходе к репродукции. Изменение условий существования может сказаться на содержании желтых пигментов. К сожалению, сведений подобного рода о каротиноидах пшеницы очень мало (Кумаков, 1980).

Одним из основных показателей потенциальной продуктивности пшеницы может являться содержание пигментов фотосинтеза в ассимилирующих органах растения (Тарчевский, Андрианова, 1980). Отмечена положительная корреляция между количеством зеленых пигментов и фотохимической активностью хлоропластов листьев пшеницы разных сортов (Алиев и др., 1988). Количество пигментов фотосинтеза в листьях пшеницы, являясь наследуемым сортовым признаком, зависит от их возрастного состояния и фазы развития растения. От нижних к верхним ярусам листьев содержание хлорофилла возрастает, и максимально оно обычно у флагового листа пшеницы перед колошением (Кумаков, 1985).

По содержанию пигментов у видов пшеницы, вовлекаемых в селекционную практику, имеется незначительное число публикаций (Кумаков, 1985; Алиев и др., 1988). Для разных сортов саратовской селекции систематические исследования пигментов фотосинтеза не проводились.

Методика. Для определения содержания пигментов фотосинтеза используют среднюю часть пластинок листьев массой 0,07–0,08 г, тщательно растирают в фарфоровой ступке с небольшим количеством 100% ацетона (2–4 мл), кварцевого песка и мела. После настаивания (3–4 мин) экстракт переносят на стеклянный фильтр № 3 и фильтруют в колбу Бунзена, соединенную с вакуумным насосом. Вытяжку выливают в мерную колбу на 25 мл, объем вытяжки доводят чистым растворителем до метки.

Содержание хлорофиллов a, b и каротиноидов определяют в полученной вытяжке пигментов без предварительного их разделения (Гавриленко, Жигалова, 2003). Для этого измеряют оптическую плотность экстракта

29

(E) на спектрофотометре. Концентрацию (C) пигментов рассчитывают по уравнениям:

Cхл.a = 9,784 ·E662 −0,990 ·E644,

Cхл.b = 21,426 ·E644 −4,650 ·E662,

Cкаротиноиды = (1000 ·E470 −1,9 ·Cхл.a −63,14 ·Cхл.b)/214.

Содержание пигментов в исследуемом материале рассчитывают с учетом объема вытяжки и веса пробы:

A = C ·V /P ·1000,

где C – концентрация пигментов в мг/л; V – объем вытяжки пигментов

вмл; P – навеска растительного материала в г; A – содержание пигмента

врастительном материале в мг/г свежего веса. Все процедуры количественного определения пигментов проводят не менее 3 раз.

Для оценки особенности функционирования пигментов фотосинтетического аппарата проростков пшеницы семена проращивают на фильт-

ровальной бумаге при искусственном освещении (5000 лк) и в полной темноте в термостатируемых условиях (18 оС) на растворах с разной концентрацией сахарозы – 0,001–0,3 М.

Применение методики определения содержания пигментов фотосинтеза и соотношения между ними в полевых и лабораторных условиях на сортах саратовской селекции

При определении пигментов фотосинтеза в полевых условиях на группе сортов яровой мягкой и твердой пшеницы установлено, что суммарное содержание пигментов фотосинтеза в виде среднего значения для всех листьев на момент достижения ими окончательных размеров варьирует от 1,71 до 2,16 мг/г сырой массы в зависимости от сортовой принадлежности. При сравнении суммарного количества пигментов в листьях разных фитомеров было установлено, что не наблюдается тенденции их возрастания от нижних к верхним листьям, за исключением отдельных сортов. Минимальное количество пигментов фотосинтеза может наблюдаться в листьях разных метамеров – 1–6-го. Отсутствие какой-либо либо тенденции в суммарном количестве пигментов фотосинтеза в пластинках листьев от нижних к верхним метамерам побега свидетельствует, на наш взгляд, об определённой автономности отдельных фитомеров (Степанов

идр., 2005).

Впластинках листьев пшеницы наблюдается определенная пропорциональность в содержании отдельных пигментов фотосинтеза, хлорофиллов a, b и каротиноидов. В среднем для всех листьев их доля составляла:

30