Физиологические особенности адаптации сортов и отборных форм смородины красной к засухе и повышенным температурам

Смородина красная — одна из ценных ягодных культур, обладающая высокой урожайностью, скороплодностью, хорошими пищевыми качествами ягод. От 50 до 80 % потерь ее урожая приходится на негативное действие природно-климатических факторов. Наиболее значимые из них — усиление нестабильности и стрессорности погодных условий (1, 2). В Центрально-Черноземном регионе к таким стрессорам относят засуху на фоне высоких температур. Повышение температуры вызывает морфо-анатомические, физиологические, биохимические изменения, которые влияют на 1056

рост и развитие растений и могут привести к снижению прибыли при производстве (3-5). Изучение морфологических особенностей, структуры фотосинтетического аппарата и водного обмена растений в связи с ареалом произрастания — главное условие для решения фундаментальных и прикладных задач в биологии культуры. В настоящее время приоритетным направлением становится использование физиолого-биохимических экспресс-методов диагностики устойчивости растений к неблагоприятным погодноклиматическим факторам. Это позволяет значительно оптимизировать селекционный процесс, минимизировать потери урожая и получить генотипы, устойчивые к деструктивному воздействию климатических аномалий (6, 7).

Растительные организмы обладают разными механизмами адаптации к стрессорам (8-10). Ксероморфная структура листа, изменения пигментного комплекса и водного баланса служат важными диагностическими признаками засухоустойчивости (11-13). Так, при усилении засухи у смородины черной Ribes americanum Mill. наблюдалось увеличение объема клеток столбчатого мезофилла, повышалось содержание трудноизвлекаемой воды в клетках. У некоторых сортов смородины красной, происходящих от вида R. vulgare Lam. (Голландская розовая, Натали красная), отмечалось снижение содержания суммы хлорофиллов а и b и интенсивности фотосинтеза (14-16). Подобную закономерность при повышении температуры наблюдали у земляники, винограда, каштана, растений чая ( Camellia sinensis ) и оливковых деревьев ( Olea evropaea L.) (17-20). У плодовых, овощных и зернобобовых культур отмечалось снижение водоудерживающей способности в течение светового дня, повышение транспирации и изменения в соотношении форм воды в разных частях растений (21-23). Особенности приспособления ягодных культур, в том числе смородины красной, к действию стрессоров в период вегетации малоизучены и требуют более детальных исследований.

В настоящей работе мы впервые использовали физиологические методы для диагностики устойчивости фотосинтетического аппарата листа к негативным факторам у растений смородины красной в период вегетации.

Цель работы — изучение основных показателей водного режима, фотосинтеза и продуктивности у представителей разных видов подрода Ribesia (Berl.) Jancz., а также выделение устойчивых к засухе и повышенным температурам сортов и отборных форм.

Методика. Наблюдения проводили в 2011-2013 годах на участке первичного сортоизучения смородины красной Всероссийского НИИ селекции плодовых культур (ВНИИСПК). Засушливость в периоды вегетации оценивали по величине гидротермического коэффициента (ГТК). Объектами исследования служили 8 генотипов смородины красной: 6 сорто-образцов селекции ВНИИСПК (Дана, Нива, Роза, 1518-37-14, 1426-21-80, 1432-29-98) и 2 — зарубежной (Jonkheer Van Tets, Hollandische Rote). Образцы имели разное генетическое и эколого-географическое происхождение и были производными видов Ribes petraeum Wulf. (Hollandische Rote, 1518-37-14), R. vulgare Lam. (Jonkheer Van Tets, Нива, Роза) и R. multiflorum Kit. (Дана, 1426-21-80, 1432-29-98).

Морфо-анатомическую структуру листьев оценивали, изучая их мезоструктуру на временных препаратах поперечных срезов (24) с использованием микроскопа Eclipse 50i («Nicon», Япония; увеличение ½400). Содержание пигментов определяли в 80 % ацетоновой вытяжке спектрофотометрическим методом (25). Для исследований использовался спектрофотометр Smart SpecTMPlus («Bio-Rad», США). Показатели водного режима определяли по разработанным методикам (11, 26, 27).

Для статистической обработки результатов проводили дисперсионный, корреляционный и регрессионный анализ при уровне достоверности 95 % (28) c использованием пакета программ Microsoft Excel 2010.

Результаты . Погодные условия сильно варьировали по годам исследований. С мая по июль 2011 года наблюдалась высокая влагообеспе-ченность на фоне повышенных температур (ГТК = 0,93; 1,12; 2,10; +30,0...+31,5 °С). Наиболее засушливым был 2012 год (ГТК = 0,20; 0,82; 0,40; +31,2...+32,2 °С). Вегетационный период 2013 года по гидротермическим условиям оказался промежуточным (ГТК = 0,72; 0,89; 0,68; +28,6^+31,5 °С).

Для представителей подрода Ribesia (Berl.) Jancz. характерны морфологическое разнообразие и экологическая пластичность. Смородина красная принадлежит к мезофитам. Все ее сорта и формы происходят от диких видов ( Ribes petraeum Wulf., R. rubrum L., R. vulgare Lam., R. multiflorum Kit.), произрастающих в умеренном поясе Северного полушария, в районах с относительно высокой увлажненностью почвы и умеренной температурой воздуха во время вегетации. Местом происхождения R. vulgare Lam. считается Европа, вид Ribes petraeum Wulf. распространен в горных районах Европы и Северной Африки, родина R. multiflorum Kit. — Южная Европа (29, 30). Изучение ассимиляционного аппарата у сортов и отборных форм разных видов смородины красной в условиях Центрального региона России представляет особый интерес, поскольку специфические климатические условия существенно влияют на формирование и функции листового аппарата.

Исследования показали, что некоторые морфологические признаки (форма, жилкование) листьев смородины красной зависели от биологических особенностей сорта, а на анатомическое строение влияли условия произрастания. В периоды с недостаточной водообеспеченностью площадь листовой поверхности снижалась у всех исследуемых образцов по сравнению с оптимальными условиями: в 2011 году она составляла в среднем 17,64 см², в 2012 году — 13,95 см²; в 2013 году — 14,37 см². При этом максимальные значения площади листа отмечали в 2011-2013 годах у формы 1426-21-80 (производного вида R. multiflorum Kit.). Была выявлена положительная взаимосвязь между площадью листа и ГТК ( r = +0,99) и отрицательная — между площадью и температурой окружающей среды ( г = -0,97).

Лист смородины красной имел характерную для подрода Ribesia (Berl.) Jancz. мезоморфную структуру. Губчатая паренхима преобладала над столбчатой (палисадной), эпидермальные клетки оказались достаточно крупными, причем на верхней стороне листа они были крупнее, чем на нижней. Высокая температура и засуха по-разному влияли на размеры клеток адаксиального эпидермиса и мезоструктуру листа. В 2012 и 2013 годах с мая по июль основные клетки адаксиального эпидермиса у сорта Holland-ische Rote (представителя R. petraeum Wulf.) и отборной формы 1426-21-80 ( R. multiflorum Kit.) при действии высоких температур (+31,2^+28,6 °С — в мае, +32,2^+31,5 °С — в июле) несколько вытягивались, что было связано со снижением тургора клеток. У остальных образцов мы отмечали сжатие клеток в тангентальном направлении (параллельно поверхности стебля) (рис. 1).

Повышенная температура и засуха в 2012 и 2013 годах приводили к разрастанию клеток паренхимы и увеличению общей толщины листа (табл. 1). Разрастание клеток мезофилла происходило главным образом за счет увеличения объема воздухоносных полостей губчатой паренхимы, что способствовало улучшению газообмена между листом и окружающей средой. Достоверно большее по сравнению с 2011 годом разрастание клеток губчатой паренхимы и толщины листовой пластинки были 1058

ыявлены практически у всех образцов (кроме сорта Нива), особенно у сорта Hollandische Rote и формы 1426-21-80. Эти изменения следует рассматривать как проявление высокой адаптивности анатомического строе- ния листа к стрессорам в период вегетации.

Образец

Рис. 1. Размеры клеток адаксиального эпидермиса листа у сортов и отборных форм смородины красной в мае (а) и июле (б) 2012 года, а также в мае (в) и июле (г) 2013 года: 1 — Hollandische Rote, 2 — 1426-21-80, 3 — Дана, 4 — 1432-29-98, 5 — Нива, 6 — 1518-37-14, 7 — Jonkheer Van Tets, 8 — Роза (Всероссийский НИИ селекции плодовых культур, Орловская обл., д. Жилина).

1. Мезоструктура листа у сортов и отборных форм смородины красной в разные годы (Всероссийский НИИ селекции плодовых культур, Орловская обл., д. Жилина)

		Год (А)
Образец (В)		2011			2012			2013
		СП	ГП 1	ОТЛ	СП	ГП	ОТЛ	СП	ГП 1	ОТЛ
1426-21-80		10,29	13,62	26,94	12,00	20,00	37,30	9,75	15,80
Hollandische Rote		9,56	15,24	27,70	11,25	18,45	35,35	9,55	16,95	31,40
Нива		9,28	12,65	24,63	10,15	15,35	29,60	10,35	15,30	29,10
Дана		8,10	12,00	22,70	10,05	16,30	29,92	9,10	14,85	27,70
1432-29-98		7,90	12,35	23,25	11,65	17,55	33,65	10,15	15,10	29,10
1518-37-14		7,70	14,68	25,38	9,15	18,15	30,80	8,55	16,90	29,15
Jonkheer Van Tets		7,30	10,10	20,33	10,50	15,90	30,05	9,00	12,30	24,80
Роза		6,80	11,23	20,53	7,95	13,85	25,60	8,10	13,80	25,10
П р и м е ч а н и е. СП —	столбчатая		паренхима, мкм; ГП — губчатая паренхима,					мкм; ОТЛ — общая тол-
щина листа, мкм. НСР05 для столбчатой паренхимы: А = 1,57;						В = 2,56	; АВ =	4,42. НСР05 для губчатой
паренхимы: А = 1,92; В	= 3,14; АВ =		5,43. НСР 05 для общей толщины листа: А =					1,39; В	= 2,27; АВ	= 3,93.
Пропуск означает отсутствие данных.

Погодные условия вегетационных периодов оказали существенное влияние на работу ассимиляционного аппарата. В засушливый 2012 год наблюдалось снижение содержания хлорофилла а и хлорофиллов а + b (соответственно 1,23-2,21 и 2,15-3,36 мг/г) в листьях у всех сортообразцов смородины красной по сравнению с 2011 годом (1,53-2,46 и 2,40-3,92 мг/г) (рис. 2). Следует отметить, что более резкое снижение количества пигментов в 2012 году отмечалось у всех производных вида R. vulgare Lam., минимальное — у представителей видов R. petraeum Wulf. и R. multiflorum Kit. Незначительное ослабление засухи в 2013 году способствовало небольшому повышению содержания пигментов.

Засуха на фоне высоких температур стимулировала образование каротиноидов в клетке у всех исследуемых образцов подрода Ribesia (Berl.) Jancz., что согласуется с данными литературы о защитной функции этой группы пигментов при стрессе (21, 31, 32). Мы выявили положительную корреляцию между содержанием каротиноидов и температурой (r = +0,77). Некоторые исследователи для оценки устойчивости к стрессорам предлагают использовать коэффициент отношения суммы хлорофиллов к каротиноидам (31, 33, 34). В стрессовых условиях 2012 года по этому показате- лю выделялись сорт Hollandische Rote (величина коэффициента 5,14) и отборная форма 1426-21-80 (величина коэффициента 5,51), что может свидетельствовать об их устойчивости к засухе и высоким температурам летнего периода. Гидротермический режим влияет на продуктивность посредством воздействия на функциональное состояние растений, что подтверждалось высокими корреляциями между количеством хлорофилла а и урожайностью (r = +0,85), суммой хлорофиллов и урожайностью (r = +0,78).

Образец

Рис. 2. Содержание хлорофилла а (А) и суммы хлорофиллов а + b (Б) в период вегетации 2011 (а), 2012 (б) и 2013 годов (в) в листьях у сортов и отборных форм смородины красной: 1 — Hollandische Rote, 2 — 1426-21-80, 3 — Дана, 4 — 1432-29-98, 5 — Нива, 6 — 1518-37-14, 7 — Jonkheer Van Tets, 8 — Роза (Всероссийский НИИ селекции плодовых культур, Орловская обл., д. Жилина). А: а — НСР 05 = 0,31; б — НСР 05 = 0,26; в — НСР 05 = 0,29. Б: а — НСР 05 = 0,61; б — НСР 05 = 0,53; в — НСР 05 = 0,58.

Зависимость содержания пигментов от показателей водного режима подтверждалась коэффициентом парной корреляции между суммой хлорофиллов и потерей воды ( r = -1,00), суммой хлорофиллов и количеством свободной воды ( r = +0,98). Эти показатели (содержание пигментов, фракционный состав воды, водоудерживающая способность листа) были связаны с развитием водного дефицита, который зависел от температуры воздуха ( r = +0,84). Взаимосвязь показателей водного режима и метеорологических особенностей вегетационного периода была описана с помощью коэффициентов множественной регрессии (табл. 2).

2. Корреляция между физиологическими показателями и метеорологическими условиями у исследуемых образцов смородины красной (Всероссийский НИИ селекции плодовых культур, Орловская обл., д. Жилина)

Показатель                         Коэффициент регрессии

Оводненность                                                        0,90•F; r = 0,22

Свободная фракция воды                                          0,84•F; r = 0,33

Потеря воды                                                         - 0,88•F; r = 0,30

Прим еч ани е. F — значения гидротермического коэффициента, r — стандартная ошибка опыта.

Следует отметить, что общее содержание воды в листьях смородины красной не служит главным показателем устойчивости растений к повышенным температурам и засухе, поскольку зависит от целого ряда факторов (рост побегов, возраст листа, формирование ягод, метеоусловий и сорта) (35) (рис. 3).

Рис. 3. Оводненность листьев в период вегетации 2011 (а), 2012 (б) и 2013 годов (в) у сортов и отборных форм смородины красной : 1 — Hollandische Rote, 2 — 1426-21-80, 3 — Дана, 4 — 143229-98, 5 — Нива, 6 — 1518-37-14, 7 — Jonkheer Van Tets, 8 — Роза (Всероссийский НИИ селекции плодовых культур, Орловская обл., д. Жилина). НСР 05 : а — 4,38, б — 3,74, в — 3,98.

Наиболее лабильны (в зависимости от метеорологических условий и водообеспеченности) показатели соотношения связанной и свободной воды и водоудерживающая способность листьев (11, 36, 37). Мы оценивали водоудерживающую способность по количеству потерянной воды. По изучаемым признакам в стрессовый период значительные различия были связаны с сортовыми и видовыми особенностями. В 2012 году, неблагоприятном по значениям ГТК, по сравнению с 2011 годом у всех образцов смородины красной наблюдалось увеличение коэффициента количественного соотношения связанной и свободной воды и снижение потери воды листом. В 2013 году это соотношение оказалось выше, чем в 2011 году, но ниже по сравнению с показателем 2012 года (табл. 3). Наиболее высокие значения коэффициента и минимальную потерю воды отмечали у сорта Hollandische Rote и отборной формы 1426-21-80, это дает основание считать, что генотипы этих образцов видов R. petraeum Wulf. и R. multiflorum Kit. проявляют более высокую адаптивность к воздействию высоких температур на фоне дефицита почвенной влаги.

3. Основные показатели водного режима у сортов и отборных форм смородины красной в разные годы (Всероссийский НИИ селекции плодовых культур, Орловская обл., д. Жилина)

Образец (В)	Год (А)
	2011		2012		2013		среднее
	СВЗ/СВ	ПВ, %	СВЗ/СВ	ПВ, %	СВЗ/СВ	ПВ, %	СВЗ/ СВ	ПВ, %
Hollandische Rote	1,33	35,82	2,09	20,36	2,03	21,11	1,82	25,76
1426-21-80	1,31	36,16	2,41	20,62	2,09	19,37	1,94	25,38
1432-29-98	1,12	30,17	1,42	25,01	1,20	26,98	1,25	27,39
Jonkheer Van Tets	1,01	38,10	1,31	21,85	1,04	27,40	1,12	29,12
1518-37-14	0,96	40,91	1,06	27,62	1,08	26,66	1,03	31,73
Нива	0,82	42,56	1,71	24,84	1,50	25,58	1,34	30,99
Дана	0,70	40,97	1,76	25,51	1,66	25,44	1,37	30,64
Роза	0,63	39,75	0,98	26,82	0,87	27,85	0,83	31,47
НСР 05	0,08	2,06	0,11	3,03	0,14	1,86
П р и м е ч а н и е.	СВЗ/СВ —	коэффициент соотношения количества связанной и свободной воды, ПВ —
потеря воды за 24	ч, % от оводненности. НСР05 для СВЗ/СВ:				А — 2,18; В	— 4,59; АВ — 7,95.		НСР 05 для
ПВ: А — 0,13; В —	0,21; АВ —	0,37.

Таким образом, показана перспективность использования физиологических методов при оценке устойчивости образцов подрода Ribesia (Berl.)

Jancz. к неблагоприятным погодным факторам. Полученные результаты полностью согласовывались с полевыми данными по устойчивости сортов и отборных форм смородины красной в условиях повышенной температуры и дефицита влаги. Это позволяет использовать рассмотренные методы как экспресс-диагностику и существенно интенсифицировать селекцию на адаптивность. Как показала комплексная физиологическая оценка, производные разных видов подрода Ribesia (Berl.) Jancz. обладают неодинаковой экологической пластичностью, что объясняется различием их генетического и эколого-географического происхождения. Наибольшую устойчивость к засушливым условиям вегетационного периода Центрально-Черноземного региона проявили производные видов Ribes petraeum Wulf. (Hollandi-sche Rote) и R. multiflorum Kit. (1426-21-80). Низкая засухоустойчивость отмечена у сортов и отборных форм R. vulgare Lam.