Кошкин

Особенности поглощения ресурсов среды растениями в посеве являются причиной изменений параметров продукционного процесса в течение вегетации. В начале вегетации конкуренции между растениями за ресурсы нет и величина урожаев биомассы с 1 м2 посева прямо пропорциональна густоте стояния растений. После начала конкуренции за ресурсы рост растений и накопление ими биомассы не угнетаются до тех пор, пока водный потенциал, содержание в тканях азота или другой лимитирующий фактор не снизятся до критического уровня. С этого момента зависимость накопленной биомассы от густоты посева становится криволинейной.

С развитием конкуренции сильнее подавляется рост растений, в частности зачаточных корзинок. Поскольку их дифференциация приходится на начальный период конкурентного угнетения, число сформировавшихся в корзинках цветков обычно несколько больше числа семян, которые могли бы образоваться на растении при более сильной конкуренции после цветения. Поэтому размер соцветия не лимитирует продукционный процесс.

Ужесточение конкуренции в посеве приводит к достижению равновесия между доступностью и потреблением ценозом ресурсов, лимитирующих продуктивность. С этого момента ценоз вступает в так называемое компенсационное состояние. При этом с увеличением густоты посева вдвое также ровно вдвое уменьшаются средние величины сухой массы одного растения, вынос азота и другие показатели. Поэтому водопотребление, вынос азота и накопление биомассы в расчете на 1 м2 посевов в этом случае определяются условиями выращивания и продолжительностью продукционного процесса и не зависят от густоты посева и генотипа (если они не различаются по продолжительности вегетации).

Для формирования оптимального фенотипа подсолнечника необходимо существенно подавить вегетативный рост растений, а ресурсы внешней среды в максимальной степени использовать для образования наибольшего урожая семян. Это достигается при такой густоте посевов, при которой критический период онтогенеза растений совпадает с тем этапом саморазвития агроценоза, когда по накоплению биомассы еще не достигнуто компенсационное состояние, а поглощение азота уже соответствует этому состоянию. При этом эмбриональный рост семян происходит в условиях, когда полностью освоены ресурсы местообитания, а взаимоугнетение растений еще не достигло наибольшей степени. Эта густота посева, формирующая оптимальные фенотипы, также является оптимальной, так как в урожае биомассы таких посевов максимальна доля семян, а значит и их урожай.

Период наиболее интенсивного роста вегетативных органов подсолнечника, начинающийся перед бутонизацией и заканчивающийся в фазе цветения, в оптимальных по густоте посевах

201

совпадает с периодом непрерывно усиливающейся конкуренции. В случаях, когда после завершения ростовых процессов лимитирующий фактор меняется, морфофизиологическая адаптация органа уже не может измениться. Например, сформировавшийся при недостатке света лист в нижних ярусах не может изменить свою теневую структуру при улучшении освещенности после окончания роста.

Встепной зоне, основном ареале возделывания масличного

подсолнечника, особое значение имеет адаптация к меняющимся условиям влагообеспеченности. При густоте посева 1 раст/м2 и менее растения не

конкурируют за влагозапасы почвы, поэтому не страдают даже при самых сильных засухах (рис. 62). Чем больше растений на 1 м2, тем в большей степени снижена урожайность посевов при засухе по сравнению с посевами в условиях

достаточной влагообеспеченности. При 475 мм осадков за вегетацию оптимальна густота 6 раст/м2, а при 108 мм — 2 раст/м2. При преимущественной конкуренции между .растениями за воду длина стеблей уменьшается по мере загущения посевов, а во влажный год чем гуще посев, тем длинней стебель вследствие конкуренции за свет. Поэтому регулирование конкурентных взаимосвязей между растениями в сомкнутых посевах необходимо для обеспечения стабильности урожаев.

Воптимальных по густоте посева подсолнечника условиях важными показателями адаптации растений к дефициту влаги являются укороченные междоузлия стебля и повышенная ксероморфность листьев. В посевах подсолнечника разных по влагообеспеченности зон Краснодарского края

косвенный показатель ксероморфности — удельная поверхностная плотность листьев возрастала с 420 до 660 мг/дм2, а высота растений снижалась на 7,7 мм по мере уменьшения влагозапасов в двухметровом слое почвы на 1 мм.

Уменьшение влагозапасов к фазе цветения до 70 мм приводило к снижению максимальной площади листовой поверхности посевов с 4,3 до 2,2м2/м2. Сильная зависимость ИЛП от влагозапасов свидетельствует о том, что морфофизиологическая адаптация осуществляется на уровне агроценоза за счет высокой чувствительности растений к условиям влаго-

Рис. 62. Зависимость сбора масла в расчете на растение (А) и 1 га (Б), масличное™ семян (.8) и длины стеблей (Г) от густоты полевых посевов подсолнечника в разные по количеству осадков годы:

+ — 108 мм осадков за вегетацию; • — 475 мм

202

обеспеченности. Вместе с тем у растений подсолнечника рост листьев прекращается при значительно большем дефиците влаги, чем у незасухоустойчивой сои, которая не может эффективно адаптироваться к условиям засухи.

Многие агротехнические приемы влияют на формирование урожая посредством изменения конкурентных взаимосвязей между растениями. Например, при внесении высоких доз удобрений накопление биомассы посевами подсолнечника в фазе бутонизации значительно усиливается. Одновременно ослабление конкуренции за элементы минерального питания приводит к усилению конкуренции за влагу, в результате чего урожай семянок может оказаться пониженным при высоком урожае общей биомассы. Поэтому оптимальная доза удобрений для посевов масличного подсолнечника в несколько раз меньше, чем для его посевов на зеленую массу.

5.8. Продуктивность и качество урожая

Основным показателем ценности сорта или гибрида подсолнечника является урожайность масла с 1 га. Для успешной селекции сортов отбор отдельных элитных растений и семей их потомков должен вестись по таким признакам, изменения которых могут обеспечить повышение продуктивности полевых посевов. В течение 15-летних исследований В. С. Пустовойт выявил такие признаки подсолнечника и разработал схему селекции, состоящую из трехлетних циклов отборов, испытаний и скрещиваний. За период проведения 13 таких циклов он создал сорта, превосходящие прежние популяции по сбору масла с 1 га более чем в 1,5 раза.

На каждом этапе селекции подсолнечника сбор масла повышался в строгом соответствии с увеличением урожайности семян (ядер семянок) (рис. 63). При этом оказалось, что по поглощению из почвенных запасов доступного азота и воды обычные по густоте посевы новых сортов не отличаются от посевов старых низкомасличных сортов. Обусловлено это тем, что полное и своевременное поглощение этих ресурсов посевами обеспечивается оптимальной густотой стояния растений. Урожайность общей биомассы посевов таких сортов также не больше, чем старых, а площадь листьев даже несколько меньше. Повышение урожаев семян и масла

Рис. 63. Сбор масла в зависимости от урожайности семян (ядер семянок) сортов и межлинейных гибридов подсолнечника: Енисей, Север, Надежный, Визит, Салют, Почин, Успех, Солдор 220, ВНИИМК 8883, Донской низкорослый 47, ВНИИМК 8931 и Передовик (в порядке увеличения урожайности)

203

низко- и высокомасличных сортов не различаются по интенсивности фотосинтеза, что наблюдается в свободных от ассимилятов листьях в утренние часы. Однако в середине и конце дня избыток углеводов резко подавляет фотосинтез листьев низкомасличных сортов. Вследствие быстрого оттока ассимилятов из листьев высокомасличных сортов подсолнечника их фотосинтез снижается в середине и конце дня значительно меньше, что обеспечивает более эффективное использование ФАР.

Количество масла, накапливающееся в семенах подсолнечника за период налива семян, определяется не способностью листьев обеспечивать соцветие углеводами, а суммарным числом запасающих жир клеток мезофилла семядолей семян. Различия между высоко- и низкомасличными сортами по абсолютному количеству масла в семенах обусловлены только разным числом таких клеток, а не количеством масла в каждой из них. При нормальном созревании семян в 1 млн клеток мезофилла семядолей содержится около 15 мг масла как у старых, так и у современных сортов.

Вследствие того что урожай масла в результате селекции подсолнечника растет за счет увеличения числа запасающих клеток, пропорционально возрастает и урожай семян. Однако хозяйственный урожай плодов-семянок у высокомасличных сортов не намного выше, чем у низкомасличных. Обусловлено это тем, что одновременно с селекцией на увеличение урожая масла проводили отбор на уменьшение толщины плодовых оболочек (лузги) семянок. Это привело к снижению лузжистости семянок с 42—45 до 20 %. Сниженные вследствие этого урожаи лузги маскируют увеличение урожаев семян, поэтому урожаи семянок в результате селекции подсолнечника возрастали в большей степени за счет отборов на устойчивость к болезням и вредителям, чем за счет селекции на повышение эффективности использования ресурсов среды растениями.

Вотличие от низкомасличных груболузжистых сортов подсолнечника у высокомасличных в формирующихся плодовых оболочках подавлен биосинтез целлюлозы, гемицеллюлоз, пентозанов и лигнина, хотя содержание подвижных углеводов в этот период повышено. Это связано с недоразвитием слоя клеток гиподермы околоплодника, поэтому толщина лузги у современных сортов снижена с 400 до 200 мк и меньше. Это привело к значительному повышению содержания масла в расчете на массу всей семянки.

Врезультате селекции масличность семянок подсолнечника повысилась не только за счет снижения их лузжистости. У современных сортов выше содержание масла и в самих семенах. Обусловлено это более интенсивным оттоком азота из вегетативных органов растений в период эмбрионального роста семян, изменением вследствие этого соотношения в них между запасными и ци-топлазматическими белками в пользу последних. В результате об-

205

Рис. 64, Сопряженная генотипическая изменчивость масличности и урожайности семян (ядер семянок) подсолнечника. Сорта и межлинейные гибриды:

Енисей; 2— Север; 3— Надежный; 4— Салют; 5— Солдор 220; 6- ВНИИМК 8883; 7- ВНИИМК 8931; Передовик; 9 — Донской низкорослый 47; 10 — Успех; 11 — Почин; 12— Визит

разуется больше масла в расчете на 1 г белка и соответственно выше масличность семян.

Последовательное применение эффективных методик селекции и улучшающего семеноводства сортов подсолнечника, разработанных академиком В. С. Пустовойтом, позволило повысить масличность семянок с 28—32 до 52—53 %, содержание масла в семенах на 8 %, урожай масла с 1 га более чем на 60 %. Эффективность этих методик обусловлена правильным выбором критериев отбора. Основной целью селекции подсолнечника является повышение урожая масла без удлинения периода вегетации растений. В оптимально загущенных посевах это могут обеспечить только генотипы, способные наиболее эффективно использовать ресурсы внешней среды на создание урожая семян (ядер семянок). Высокая их масличность — один из показателей такой эффективности при оценках элитных растений и семей их потомков, так как такие генотипы способны к биосинтезу наибольшего количества масла в расчете на единицу поглощенного азота, а также других ресурсов внешней среды. При этом важно учитывать, что генотипические зависимости масличности семян подсолнечника от урожайности семян (рис. 64) выражаются уравнениями гипербол. Знание этих зависимостей позволяет четко отличать наследственную изменчивость от средовой, выявлять ценные генотипы как при отборах элитных растений из расщепляющихся популяций, так и при испытаниях семей их потомков на малых делянках.

При селекции и семеноводстве межлинейных гибридов подсолнечника используют иные методики. Однако повышение продуктивности гибридов и качества их семянок и семян обусловлено изменением тех же физиологических процессов, на которых основаны селекция и семеноводство сортов-популяций.

5.9.Биотехнология подсолнечника

Впоследние десятилетия в ряде стран разрабатывают способы применения методов биотехнологии для ускорения селекции подсолнечника, использования дополнительных источников его генотипической изменчивости.

Внастоящее время в практической

206

селекции используют методы культуры апикальных меристем побегов и молодых зиготических зародышей.

Стерильную культуру in vitro верхушек стебля проростков подсолнечника применяют для микроклонального размножения ценных генотипов. При этом генетическая идентичность надежнее сохраняется, если в качестве эксплантантов используют апикальные меристемы с частью дифференцированной ткани и непосредственно на них образуются побеги. Генетические изменения более вероятны, если вначале образуется каллус, в котором формируются побеги. На одном эксплантате или каллусе образуется до 10 побегов. При изолировании из них новых эксплантантов в виде листочков с пазушной почкой в течение 6 мес получили более 30 тыс. новых пробирочных растений.

Метод культивирования на питательной среде in vitro молодых зародышей (эмбриокультура) используют в селекции подсолнечника для разных целей. Для ускоренного создания аналогов инбредных линий важно сокращать циклы возвратных скрещиваний. При извлечении из семянок 10дневных зародышей и выращивании из них in vitro саженцев каждый цикл сокращается на 25—30 дней за счет исключения периода налива и созревания семян и еще на 20—30 дней из-за исключения периода покоя семян. С использованием фитотрона на процесс создания аналогов линии, состоящей из шести последовательных поколений, требуется всего 370—400 дней.

Скрещивания культурного подсолнечника с дикорастущими видами часто не удаются из-за абортирования или неспособности к прорастанию гибридных семян вследствие постгамной несовместимости. Преодолевать нескрещиваемость такого типа можно путем извлечения 7-дневных зародышей и доращивания их in vitro на искусственных питательных средах. На обычных средах успешно выращиваются in vitro пригодные для пересадки растеньица подсолнечника из зародышей длиной 3—5 мм, причем лучшие по габитусу растения получаются из зародышей длиной около 3 мм.

В ряде стран разрабатывают методы регенерации целых растений из недифференцированных соматических клеток. Однако установлено, что методики, разработанные на модельных видах из семейства пасленовых, не могут быть непосредственно перенесены на культуру тканей и клеток подсолнечника, отличающегося слабой регенерационной способностью (Badigannavar, Bernardi). Эта способность в очень большой степени зависит от генотипа донорного растения подсолнечника. При этом чем выше степень апикального доминирования у донорного растения, тем ниже регенерационный потенциал его тканей и клеток в культуре in vitro. У высокопродуктивных растений подсолнечника селекции ВНИИМК (Краснодар) отбор на доминирование одного соцветия привел к отсутствию не только боковых ветвей, но даже меристем в пазухах листьев. Ткани и клетки таких генотипов имеют низкую реге-

207

нерационную способность, что не относится к некоторым генотипам из США и Канады, а также к дикорастущим видам подсолнечника.

При использовании в качестве эксплантантов апикальных меристем побегов или незрелых (7—10-дневных) зиготических зародышей способность к регенерации растений проявляют даже генотипы краснодарской селекции. Способность тканей гипокотилей проростков к морфогенезу обнаружена только у небольшого числа генотипов с более высоким регенерационным потенциалом. Для регенерации растений можно использовать также и зрелые семядоли подсолнечника.

Разработка эффективных способов регенерации жизнеспособных растений из клеточных клонов открывает возможность клеточной селекции подсолнечника. Ее использование особенно важно для создания гибридов и сортов, устойчивых к патогенам-некротрофам. Признаки устойчивости к ним у подсолнечника обычно полигенны, поэтому они трудны для селекции обычными методами. Установлено, что каллусы, полученные от устойчивых к фомозу генотипов подсолнечника, выживали на питательной среде с культуральным фильтратом возбудителя этой болезни, а каллусы от восприимчивых линий на такой среде погибали.

Использование генетической инженерии в работах с подсолнечником до сих пор ограничивается не только недостаточной эффективностью методов регенерации растений из трансформированных клеток, но и тем, что для целенаправленного реконструирования генома подсолнечника требуются более глубокие знания в области частной генетики, физиологических и биохимических механизмов фенотипической реализации признаков. Должны быть найдены, изолированы и клонированы агрономически важные гены, разработаны способы их интеграции в геном подсолнечника и обеспечения их активности в нем.

Подсолнечник восприимчив к инфицированию почвенной бактерией Agrobacterium tumefaciens. Ее экстрахромосомная Ti-плазмида легко внедряется в ядра опухолевых клеток и способна переносить встроенные в нее гены, которые активно экспрессируются в клетках подсолнечника. Однако трансформированные таким путем клетки теряют способность к регенерации целых растений. Найден один генотип подсолнечника НА-300В, сохраняющий такую способность.

В результате переноса генов, встроенных в Ti-плазмиду, в 80-е гг. XX в. были получены культуры клеток подсолнечника, в которых синтезировались запасные белки семян фасоли и кукурузы. Хотя из этих клеток и не были регенерированы целые растения, эти результаты стали доказательством принципиальной возможности проявления активности генов, перенесенных из таксономически отдаленных семейств. Позже был получен трансгенный подсолнечник, проявивший в полевых испытаниях устойчивость к скле-

208

ротиниозу за счет активности пшеничного гена оксидазы щавелевой кислоты.

Методика слияния голых протопластов позволяет преодолевать нескрещиваемость культурного подсолнечника с дикорастущими видами, обладающими устойчивостью к основным патогенам и другими признаками (Schnabl at al). Разработаны способы получения не только симметричных гибридов, содержащих в ядрах наборы хромосом двух видов, но и асимметричных соматических гибридов, у которых к хромосомам культурного подсолнечника добавлены одна или более интродуцированных хромосом. Целые растения из протопластов после их слияния или перенесения в них микронуклеусов удалось получить только после того, как был найден генотип подсолнечника Florom 328, отличающийся высоким регенерационным потенциалом.

5.10. Реакция подсолнечника на поражение патогенами

Урожайность и качество семянок и семян в значительной степени зависят от устойчивости или толерантности растений к поражению болезнями и вредителями. В частности, при сильном поражении облигатным паразитным цветковым растением заразихой урожайность подсолнечника снижается настолько, что его возделывание становится нерентабельным. Гаусторий (видоизмененный корень) проростка семени заразихи внедряется в корень подсолнечника до сосудов ксилемы, проникая через оболочки клеток эпиблемы и первичной коры, и поглощает из них питательные вещества. В результате у восприимчивых генотипов образуется общая проводящая система хозяина и паразита, и клетки заразихи поглощают органические вещества из флоэмы подсолнечника. По мере появления очередных, все более вирулентных рас заразихи селекционеры находят генотипы подсолнечника, обладающие быстрой реакцией лигнификации клеточных стенок при контакте с ними гаустория паразита. Клетки заразихи не могут проникать через одревесневшие оболочки клеток хозяина, поэтому лишенные питания гаустории отмирают.

Споры возбудителя ржавчины подсолнечника гриба Puccinia helianthi Echw проникают в лист через устьица, гифы заполняют межклетники мезофилла и быстро образуют гаустории в клетках. У устойчивых генотипов подсолнечника окружающие мицелий клетки листа отмирают в результате проявления реакции сверхчувствительности, и это прекращает инфекционный процесс. У восприимчивых генотипов клетки листьев при этом не претерпевают видимых изменений жизнедеятельности, что позволяет грибу формировать пустулу и продуцировать большую массу спор. Пищевые потребности гриба обеспечиваются не за счет распространения

209

мицелия в удаленные участки листа, а путем выделения цитокининов, под действием которых не только прекращается отток ассимилятов из зоны пустулы в другие органы растения, но и вызывается приток необходимых грибу веществ в эту зону.

Возбудитель ложной мучнистой росы подсолнечника гриб Plasmopara helianthi Novot. также является облигатным биотрофным паразитом. Однако в отличие от возбудителя ржавчины мицелий плазмопары не способен воздействовать на незараженные ткани хозяина таким образом, чтобы обеспечить интенсивный подток пластических веществ в зараженную ткань. Поэтому и питание гриба и обилие его спороношения зависят от объема тканей хозяина, освоенного мицелием. При заражении листьев через устьица физиологическое состояние подсолнечника и его продуктивность изменяются незначительно, так как мицелий не проникает за пределы ближних жилок пластинки листа. В тех же растениях, в которых мицелий достигает апикальной меристемы побега, он распространяется во всех формируемых ею органах, вызывая системное поражение растения. В результате расходования пластических веществ грибом и подавления ростовых процессов пораженные плазмопарой растения подсолнечника не образуют семена и чаще гибнут до цветения (Cohen, Sackston).

По характеру питания возбудители ржавчины и ложной мучнистой росы подсолнечника являются биотрофами, так как они в вегетативном состоянии не могут существовать в отсутствие хозяина и извлекают питательные вещества из его живых тканей. Подсолнечник поражается также многими болезнями, для возбудителей которых характерен некротрофный тип питания. Такие патогены питаются предварительно убитыми тканями хозяина.

Воздействие биотрофов на физиологические процессы растения-хозяина направлено на то, чтобы обеспечить мицелий питательными веществами при минимальном повреждении клеток хозяина до спороношения паразита. Поэтому в период сосуществования с хозяином биотрофы не продуцируют токсины. Некротрофам же необходимо выделять токсины или некротизирующие ферменты, чтобы внедряться в ткани хозяина и обеспечивать себя питанием. Растение-хозяин обычно реагирует на это усилением дыхания, снижением интенсивности фотосинтеза, подавлением митотической активности меристем. Выделяемые токсины и щавелевая кислота нарушают избирательную проницаемость мембран клеток хозяина, усиливая экзоосмос солей и органических веществ из них, вызывая дезорганизацию органоидов и процессы их автолиза, ускоряя старение тканей.

Вред, причиняемый различными патогенами посевам подсолнечника, в разной степени зависит от погодных условий. Поражение неустойчивых растений заразихой при наличии в почве ее семян практически не зависит от погодных условий. На заболевание подсолнечника прикорневой формой белой гнили также больше

210