Активность фотосинтеза листьев гречихи в связи с селекцией на высокую семенную продуктивность

Введение. Об актуальности использования в селекции сельскохозяйственных культур физиологических знаний указывал еще 80 лет назад Н.И. Вавилов [1]. На современном этапе развития все больший практический интерес приобретает фотосинтез, за счет которого формируется основное количество (более 95%) сухого вещества урожая [2]. Поэтому, повышение его активности и эффективности представляется одним из наиболее приоритетных путей роста общей и полезной продуктивности растений средствами селекции и технологии [3, 4].

Генотипические особенности протекания данных процессов у многих сельскохозяйственных культур, включая востребованную на мировом продовольственном рынке гречиху, слабо или почти не изучены.

С учетом этого, нами были проведены многолетние исследования на большом наборе сортообразцов гречихи обыкновенной по выявлению наследственных особенностей проявления активности реакций световой и темновой фаз фотосинтеза листьев.

Цель исследования - выявить генотипический полиморфизм показателей активности фотосинтеза и возможность их использования в селекции культуры.

Условия, материалы и методы. Лабораторные и вегетационные опыты проведены на базе ЦКП Орловского ГАУ "Генетические ресурсы растений и их использование", а полевые в селекционном севообороте лаборатории селекции крупяных культур ФГБНУ ФНЦ зернобобовые и крупяные культуры.

В соответствии с задачами проекта был подобран опытный материал, состоящий из 48 сортообразцов разных по происхождению, архитектонике и типу роста, отражающие многообразие генетических ресурсов культуры и результаты ее селекции.

В вегетационных опытах были изучены 6 сортообразцов гречихи разных периодов селекции: местные популяции Орловской области (к-406 и к-1709), старые сорта (Богатырь и Шатиловская 5) и современные сорта (Дикуль и Дождик). Выращивание растений осуществляли в селекционной теплице методом почвенной культуры с использованием полимерных сосудов емкостью 5 кг сухой почвы. Влажность почвы поддерживалась на уровне 70 % (контроль) и 30 % (опыт) от полной ее влагоемкости.

Экспериментальным материалом полевых исследований служили 36 сортообразцов гречихи собственной рабочей селекционной коллекции: Р 70/21, Р 54/21, Р 44/21, Дикуль, Р 107/21, Р 108/21, Р 109/21, Чатыр-Тау, Р 43/21, Р 122/21, Р 74/21, Темп, Р 48/21, Р 53/21, Р 46/21, Дождик, Р 54/20, Р 47/20, Калининская, Скороспелая 86, Баллада, Деметра, Каракитянка, к-406, Богатырь, Диалог, Дизайн, Диана, Елена, Кара-Даг, Саулык, Батыр, Казанка, Агидель, Кама, Илишевская. Опытные сортообразцы выращивались на делянках площадью 10 м2 в 4-х кратной повторности. Размещение делянок – рендомизированное.

Оценку сортообразцов по фотоактивности проводили по показателям: интенсивность фотосинтеза (ИФ), интенсивность транспирации (ИТ), устьичная проводимость (УП), квантовый выход (КВ), активность электронно-транспортной цепи (ЭТЦ) и фотохимическое тушение флуоресценции хлорофилла (ФХТ) с помощью портативной системы для изучения газообмена и флуоресценции растений марки GFS 3000 FL по оригинальной методике немецкой фирмы Walz. Замеры осуществляли на 3-4 листе сверху главного стебля у 5 интактных растений в режиме реального времени с учетом фазы роста (вегетативный рост, цветение, цветение +10 дней, цветение +20 дней, цветение +30 дней, созревание), яруса листа (верхний, средний, нижний) и дневного времени суток. Эффективность использования воды растениями (ЭИВ) находили отношением интенсивности фотосинтеза к интенсивности транспирации, исходя из методических рекомендаций [5].

Кроме этого по показателям активности фотосинтеза осуществлен сравнительный анализ 3-х популяций (Р 64, Р 65, Р 47), у которых были проанализированы по 120 растений, что позволило выявить закономерности внутрипопуляционной изменчивости активности фотосинтеза листьев и определить наиболее перспективные формы для дальнейшей селекционной проработки.

Полученные экспериментальные данные прошли статистическую обработку с помощью современных компьютерных программ.

Результаты и обсуждение. Показано, что у гречихи, как и других сельскохозяйственных культур [6, 7], интенсивность фотосинтеза листьев растений существенно зависит от метеорологических условий произрастания. В 2022 году ее значение у листьев растений было в 1,7 раза или на 42,3 % больше, по сравнению с 2020 годом, менее благоприятным по погодным условиям (рис.1).

Рисунок 1 – Интенсивность фотосинтеза (μmol CO 2 /m²s) листьев растений гречихи в фазу «цветение + 20 дней» в разные годы исследований

Особенно негативное воздействие на фотосинтетическую активность листьев сортов гречихи оказывали дефицит влаги в сочетании с высокой температурой воздуха. При уменьшении влажности почвы в вегетационных сосудах с 70 до 30 % от полной влагоемкости, у растений интенсивность ассимиляции СО 2 листьями снижалась в среднем в 2,4 раза, а интенсивность испарения воды в 5,0 раз. При этом более значимое уменьшение этих показателей отмечалось, прежде всего, у современных сортов: у местных образцов (к-1709 и к-406) интенсивность фотосинтеза снижалась в среднем на 51,7 %, а у современных сортов (Дикуль и Дождик) – на 66,5 %. То-есть, в результате селекции адаптивные возможности фотосинтеза растений культуры гречихи ухудшаются, на что указывалось ранее [8].

Эффективность использования транспирируемой воды на фотосинтез (ЭИВ) у растений гречихи варьировала от 4,99 до 5,87 μmol CO 2 /mmol H 2 O, что было в среднем на 52,2% выше по сравнению с оптимальным увлажнением .

Однако, у современных сортов ее значение было на 8,3 % меньше, чем у местных образцов и составляло в среднем 5,21 μmol CO 2 /mmol H 2 O, что тесным образом сопряжено с проявлением устьичной проводимости листьев. В вегетационных опытах, при уменьшении влажности почвы с 70 до 30 % от полной влагоемкости, значение УП снижалось у растений местных образцов на 71,2 %, у старых сортов – на 74,4 %, а у современных сортов – на 82,1 % (табл. 1).

Таблица 1 – Интенсивность фотосинтеза (ИФ), устьичная проводимость и эффективность использования воды (ЭИВ) у сортов гречихи в зависимости от влажности почвы* в фазу «цветение+10 дней», 2022г.

Сортообразец	ИФ, μmol CO 2 /m2s		УП, mol H 2 O /m2s		ЭИВ, μmol CO 2 / mmol H 2 O
	контроль	опыт	контроль	опыт	контроль	опыт
Местные популяции (Орловская обл.)
К –406	8,24	4,17	0,321	0,092	2,61	5,87
К–1709	9,81	4,72	0,327	0,101	2,86	5,49
среднее	9,03	4,45	0,324	0,097	2,74	5,68
Старые сорта (селекции 1930-1960-х гг.)
Богатырь	8,25	4,55	0,345	0,087	2,19	5,76
Шатиловская 5	9,04	3,41	0,365	0,094	2,35	5,09
среднее	8,65	3,98	0,355	0,091	2,27	5,43
Современные сорта (селекции 1990-2000-х гг.)
Дикуль	10,88	3,64	0,443	0,079	2,78	4,99
Дождик	11,21	3,75	0,462	0,083	2,80	5,43
среднее	11,05	3,70	0,453	0,081	2,79	5,21
НСР 05	0,71	0,62	0,065	0,009

* Контроль - 70% от ПВ, опыт - 30% от ПВ

Снижение влажности почвы до 30 % от ее полной влагоемкости приводило так же к уменьшению сухой массы и семенной продуктивности растений в среднем на 51,7 %, в том числе у местных популяций на 50,4 %, у старых сортов - на 50,9 %, а у современных сортов - на 53,8 %.

Усиление же инсоляции, наоборот, оказывало положительное влияние на фотосинтетическую активность листьев растений гречихи (r=+0,88). При увеличении интенсивности освещения с 700 до 1700 μmol (квантов)/m²s интенсивность фотосинтеза их листьев возрастала почти в 2 раза - с 8,33 до 16,39 μmol CO 2 /m²s. Световое насыщение фотосинтеза начинало проявляться, когда интенсивность света достигала 1700 μmol (квантов)/m²s. При этом выявлены существенные генотипические различия. Наиболее выраженная реакция фотосинтетической системы растений на инсоляцию отмечалась у современных сортов культуры. По интенсивности фотосинтеза листьев они превосходили старые сорта и местные образцы: при освещенности 1200 μ mol (квантов)/m²s в среднем на 21%, а при 1700 μmol (квантов)/m²s – на 19 % [9].

Но, несмотря на существенную зависимость активности фотосинтеза листьев гречихи от метеорологических условий произрастания, ее показатели у растений имеют высокую наследственную обусловленность. По результатам проведенного скрининга генофонда культуры, значения квантового выхода в фазу «цветение+20 дней» изменялись у сортообразцов гречихи от 0,232 до 0,328у.е., фотохимического тушения ‒ от 0,521 до 0,922 у.е., электроннотранспортной цепи ‒ от 97,1 до 137,6 у. ед., а интенсивности фотосинтеза - от 7,72 - 15,67 μmol CO 2 /m²s (рис. 2).

^™ Электронно-транспортная цепь

Квантовый выход

-■-Фотохимическое тушение

Рисунок 2 – Варьирование значений квантового выхода (КВ), фотохимического тушения (ФХТ) и электронно-транспортной цепи (ЭТЦ) флуоресценции хлорофилла у различных сортообразцов гречихи в фазу «цветение+20 дней», по данным полевого опыта 2022 года

В результате селекции интенсивность фотосинтеза листьев у растений гречихи значимо повышается, особенно в период генеративного развития. По данным вегетационного опыта, современные сорта культуры по величине данного показателя в фазу цветения превосходили старые сорта и местные популяции в среднем на 19,3%, а в фазу «цветение + 10 дней» - на 20,0 %; по интенсивности транспирации на 13,0 и 10,3 %, соответственно (табл. 2).

Между ИФ, КВ и ЭТЦ установлена значимая при уровне <05 положительная связь: коэффициент корреляции между показателями был равен +0,66. Достоверная положительная связь ИФ наблюдалась так же с УП (r=0,47) и ЭИВ (r=0,56). Между ИФ и общей продуктивностью растений коэффициент корреляции составлял в среднем +0,57, а с массой семян +0,47.

У современных сортообразцов гречихи повышенной активностью фотосинтеза характеризуются не только верхние, но и нижние листья растений. В фазу плодообразования современные сорта культуры Дикуль и Дождик по интенсивности фотосинтеза нижних листьев превосходили старый сорт Богатырь в среднем на 17 %, местные образцы – на 49 %; по фотоактивности листьев средних ярусов на 9 и 51 %, верхних – на 13 и 40 %, соответственно [10].

Причем, наиболее интенсивно протекает газообмен листьев растений в предобеденное время – с 9 до 11 часов. Современные сорта культуры в данный отрезок времени по интенсивности фотосинтеза листьев превосходили старые сорта в среднем на 9,4 %, а местные популяции – на 30,4 % [11].

Таблица 2 – Интенсивность фотосинтеза и транспирации в онтогенезе сортообразцов гречихи разных периодов селекции, данные вегетационного опыта 2022 года

Сортообразец	ИФ, μmol CO 2 /m2s		ИТ, mmol H 2 O/m2s
	цветение	цветение+10 дней	цветение	цветение+10 дней
Местные популяции (Орловская обл.)
к –406	7,23	8,24	2,36	3,16
к–1709	8,45	9,81	3,03	3,43
среднее	7,84	9,03	2,70	3,30
Старые сорта (селекции 1930-1960-х гг.)
Богатырь	7,89	8,25	3,14	3,77
Шатиловская 5	8,65	9,04	3,21	3,84
среднее	8,27	8,65	3,18	3,81
Современные сорта (селекции 1990-2000-х гг.)
Дикуль	9,87	10,88	3,25	3,91
Дождик	10,07	11,21	3,51	4,01
среднее	9,97	11,05	3,38	3,96
НСР 05	0,67	0,71	0,41	0,34

Широкий полиморфизм сортообразцов гречихи выявлен и по транспирационной активности листьев, значение которой варьировало в условиях вегетации 2022 года от 2,23 до 4,08 mmol H 2 O/m²s. Однако, для селекции представляют большую ценность, прежде всего, сортообразцы, у которых высокая интенсивность фотосинтеза сочеталось бы с умеренной активностью транспирации, так как на ее поддержание расходуется большое количество преобразованной солнечной энергии [12].

Среди изученных сортообразцов такими свойствами характеризуются Кара-Даг, Калининская и Р 122/21. У данных сортообразцов была самой высокой и эффективность использования транспирируемой воды на фотосинтез листьев (рис. 3).

О5

о4 Е

Е3

IIIIIIIIIIIIII

82 i1

IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIF

о

Рисунок 3 – Значения эффективности использования воды (ЭИВ) листьями различных сортообразцов гречихи в фазу «цветение+20 дней», по данным полевого опыта 2022 года

Подтверждено, что селекцию гречихи на повышение активности и эффективности фотосинтеза вполне эффективно можно проводить и на основе внутрипопуляционного отбора [13] . В 2022 году с использованием данного метода нами было сформировано 3 самостоятельных устойчивых популяции: Р47, Р64, Р65. Из них Р 65 оказалась с наиболее высокой интенсивностью фотосинтеза листьев: по величине данного показателя она превосходила две остальные в среднем на 29,1%.

Заключение. Фотосинтетическая активность листьев у растений гречихи играет важную роль в достижении более высокой урожайности культуры в процессе селекции. Поэтому, выведение новых сортов целесообразно проводить на основе применения как традиционных методов оценки селекционного материала (по элементам морфологии и структуры урожая), так и инновационных – по показателям активности и эффективности фотосинтеза. Данную работу вполне успешно можно проводить, потому-что генофонд культуры характеризуется широким их полиморфизмом и наследственной обусловленностью. Интервал генотипического варьирования в фазу образования плодов составлял: по квантовому выходу - 0,232 - 0,328 у.е.; фотохимическому тушению ‒ 0,521  - 0,922 у.е., активности электронно транспортной цепи ‒ 97,1 - 137,6 у.е.; интенсивности фотосинтеза - 7,72 - 15,67 μmol CO2/m2s. Между интенсивностью фотосинтеза, квантовым выходом и электронно-транспортной цепью установлена значимая при уровне <05 положительная связь: коэффициент корреляции между показателями был равен 0,66. Достоверная связь ИФ наблюдалась так же с УП (r=0,47) и ЭИВ (r=0,56). Между ИФ и общей продуктивностью растений коэффициент корреляции составлял +0,57, а с массой семян +0,47.

Среди изученных сортообразцов по величине квантового выхода и электронно-транспортной цепи выделились Диана, Скороспелая 86, Агидель и Баллада, по фотохимическому тушению флуоресценции хлорофилла Диана, Баллада и Р107/21, а по интенсивности фотосинтеза Диана и образец Р 109/21 , которые могут служить ценными источниками в селекции культуры на высокую активность и эффективность фотосинтеза.

Petrazavodsk, 2003. 172 s.