Фотометрический метод в исследованиях реакции устойчивости сортов картофеля к азотному стрессу

Воздействие стрессоров на растения может быть выражено в изменении характерных свойств и признаков. Для растений картофеля (Solanum tuberosum L.), характеризующихся в целом выносливостью к действию неблагоприятных факторов среды, стрессовые факторы приводят к снижению продуктивности растений (количества и массы клубней), ухудшению биохимических характеристик (содержания крахмала и сухого вещества). Такая реакция бывает сорто- специфичной, то есть степень стрессовой реакции растения зависит от генотипа и характера стрессового воздействия. Устойчивость к стрессу у растений картофеля разных генотипов возникает вследствие разных приспособительных, в том числе и фенотипических реакций: уменьшения высоты растений, изменения размеров листа, уменьшения клубнеобразо-вания. Этому сопутствуют физиологические реакции: снижение содержания пигментов, в частности, хлорофилла, деструкция тканей листа, увядание растений, обезвоживание, повышенная заболеваемость растений. Все эти признаки могут быть охарактеризованы in situ фотометрическим методом [1]. Использование методов контактной и дистанционной диагностики физиологического состояния растений in situ, включая количественную оценку потребности растений в азотных удобрениях находят свое применение в наибо- лее перспективных в настоящее время технологиях точного земледелия [2,3,4,5], используются для определения зараженности растений [6].

Факторами, определяющими оптические характеристики растений, являются: содержание пигментов и воды в листьях, тканях, их морфолого-анатомическое строение. Поэтому существенным представляется выявление фотометрических характеристик листьев картофеля при разных уровнях стресса растений и для разных генотипов.

Объекты и методы

Для измерений использовали портативный полевой фотометр ПИФ-М (разработка ГОИ им. С.И. Вавилова), который измеряет коэффициент отражения Rj отдельных фитоэлементов растений в j= 4 спектральных каналах, соответствующих основным физиологическим процессам растения, разным механизмам взаимодействия света с растением [7]. В канале I (0,38-0,63 мкм) преобладает поглощение света пигментами листа, канал II (0,63-0,8 мкм) включает так называемую "красную границу", где находится максимум поглощения света хлорофиллом, канал III (0,8-1,0 мкм) соответствует области максимума клеточного поглощения, канал IV (1,0-1,75 мкм) приходится на область преимущественного поглощения водой. Диапазон изменения коэффициента отражения варьирует от 0 до 1. Приведенная предельная относительная погрешность измерения составляет 2%. Градуировка прибора осуществляется непосредственно in situ по специальной мере отражения. Относительная погрешность аттестации меры – 0,5% [1].

Для измерений использовали также прибор N-Тестер, который позволяет определить коэффициенты отражения, соответствующий каналу I (0,56 мкм) и каналу III (0,91 мкм). Преимущества обоих приборов в том, измерения могут быть проведены независимо отусловий освещённости, чеготребуют некоторые другие фотометрические приборы.

Предварительная обработка данных, представляемых в цифровом виде, производится с помощью встроенного в прибор миникомпьютера, откуда результаты измерений могут быть переданы во внешний компьютер. При исследовании средней пробы листьев из 8 листьев, для каждого листа с помощью фото- метра измеряются и рассчитываются усредненные значения Rjв j-ом спектральном канале (j=1, 2, 3,4) измеряемых величин отражения rjи коэффициентов вариации Sj (или ошибок среднего). Набор из четырех параметров Rj образует спектр значений коэффициента отражения:

Rj =

—

n

где n – число измерений

(на практике n =5-10 измерений).

Количественные характеристики стрессовых эффектов в растениях строятся на определении следующих параметров:

• •    Фотометрического индекса стресса– ФИС ( F_1,3=R₁/R₃ ), как показателя подавления фотосинтеза в результате внешнего воздействия (уровня азотного питания, например). Этот показатель (обратный вегетационному индексу) является индикатором жизнеспособности растения и служит фотометрической мерой «нагрузки» на растение.

• •    Значений коэффициента отражения R_j и стабильности этого показателя, выявляющих физиологические параметры реакции растений на эту «нагрузку».

Фотометрический метод был применён при проведении исследований стрессоустойчивости растений 8 сортов картофеля, рекомендованных к выращиванию в Северо-Западном регионе РФ: Рождественский, Белогорский, Чародей, Елизавета, Невский, Холмогорский, Снегирь, Петербургский. Все сорта относятся по скороспелости к группам ранних и среднеранних, кроме сорта Петербургский (среднеспелый), являются столового, универсального и кулинарного назначения. В качестве стандарта стрессоустойчивости приняли сорт Невский, который районирован с 1983 года и возделывается во всех 12 регионах России [8].

Вегетационный опыт включал внесение пяти доз азота в количестве от0,033 N г (действующего вещества на килограмм) д.в./кг до 0,2 N г д.в./кг (на фоне PK 0,2 г д.в./кг). Вегетационные сосуды вмещали 5 кг воздушно-сухой просеянной среднеокультуренной легкосуглинистой дерново-подзолистой почвы, взятой с участка, где проводили мелкоделяноч-ный опыт. В каждом сосуде размещали по 4 клубня картофеля. Опыт проводили в вегетационном домике при естественном освещении. Влажность почвы поддерживали посредством полива на оптимальном для растений уровне – 70% ППВ. Мелкоделяночный полевой опыт с перечисленными выше сортами картофеля проводили в условиях Ленинградской области также на дерново-подзолистой легкосуглинистой среднеокуль-туренной почве с рНKCL– 6,4, содержанием гумуса—2,41% (по Тюрину), подвижных фосфора и калия соответственно 28,8 и 29,6 мг/100 г (по Кирсанову), содержание нитратного азота– 25 мг/100 г. Размер делянок – 8 м2, повторность четырехкратная, размещение систематическое. Варьирующим фактором служила масса клубнейот 10 г идо 120 г (четыре фракции,определён-ные по среднему значению класса как 15,35, 65 и95 г). Вносили повышеннуюдозу аммиачной селитры из расчета 140 кг д.в./га. Внесение удобрений и посадку клубней проводили в начале июня, убирали в начале сентября. В опыте выполняли биометрические измерения, в клубнях определяли содержание сухого вещества высушиванием при 105оС, нитратов потенциометрически, крахмала по Эверсу [9]. Статистическая обработка экспериментальных данных проведена с помощью программного обеспечения MS Excel2010 и Statistica. Втексте итаблицах приведены средние арифметические значения параметров и их доверительные интервалы при 95%-ном уровне вероятности по t-критерию Стьюдента. Достоверность различий между вариантами оценивали методами параметрической статистики, различия считали достоверными при p≤0.05.

Результаты и обсуждение

По мнению В.В. Сюкова [10], А. И. Прянишникова и др. [11], изучение степени изменчивости физиологических показателей в различных средовых условиях дает возможность выявить адаптивные стабильные и высоко варьирующиеся признаки и свойства, что необходимо для генетико-селекционной работы. Известно, что недостаток азота в почве замедляет рост растения, снижает интенсивность фотосинтеза и ухудшает водный режим, а избыток приводит к чрезмерному росту ботвы вущерб формированию клубней, а также задерживает созревание клубней [12]. Избыток азота может приводить к чрезмерному разрастанию ассимиляционного аппарата в ущерб формированию продуктовых органов.

Фотометрические показатели растений определяли в фазу цветения – критическую по потреблению азота картофелем. Данные по опыту для восьми сортов представлены в табл. 1. Лучшее состояние растений наблюдалось у растений сортов Чародей и Петербургский: например, низкий показатель R1сви- сорта Невский. Сорта Елизавета и Чародей сформировали биомассу клубней меньше сорта Невский на 20-21,0%, различия с другими сортами были незначительными. Содержание нитратов в клубнях варьировало от 95 до 132 мг/кг, зависело от дозы удобрения (r=0,74, Р=0,95), межсортовые различия были несущественными.

В микрополевом опыте исследовали эндогенный стрессор растений: для посадки каждого сорта использовали клубни разной массы от 10 г и до 120 г (четыре фракции, определённые по среднему значению класса как 15, 35, 65 и 95 г). Данные по фотометрическим показателям представлены в табл. 2.

Эндогенный стресс, ведущий к изменению морфометрических показателей, таких как высота растения, количество наземных и подземных побегов, масса клубней не приводил к видимым изменениям окраски листьев, как это было отмечено в предыдущем опыте. Однако, по средним значениям фотометрических показателей (R 1 и ФИС F 1,3 ) сорта – Холмогорский и Белогорский показали себя более стрессоустойчивыми, в сравнении с другими сортами, а к деструкции тканей листа – сорта Елизавета и Снегирь (R 3 ). Таким образом, достаточное содержание пигментов в листьях (R 1 ) может быть обусловлено

Таблица 1. Фотометрические показатели растений картофеля различных сортов по показаниям прибора ПИФ-М (реакция на азотный стресс) в вегетационном опыте Table 1. Photometric indicators of potato plants of various varieties according to the readings of the PIF-M device (reaction to nitrogen stress) in a growing experiment

Сорт Фотометрические показатели R1 R2 R3 R4 ФИС F1,3 Невский 0,16±0,005 0,54±0,004 0,75±0,003 0,38±0,002 0,21±0,005 Белогорский 0,17±0,020 0,55±0,008 0,74±0,002 0,36±0,002 0,23±0,027 Чародей 0,14±0,006 0,55±0,006 0,76±0,009 0,37±0,003 0,18±0,009 Петербургский 0,13±0,003 0,53±0,005 0,74±0,005 0,38±0,004 0,18±0,002 Елизавета 0,16±0,004 0,53±0,004 0,74±0,004 0,38±0,002 0,22±0,006 Рождественский 0,18±0,027 0,55±0,012 0,75±0,005 0,38±0,004 0,24±0,035 Снегирь 0,16±0,004 0,55±0,002 0,74±0,002 0,37±0,001 0,22±0,005 Холмогорский 0,19±0,032 0,55±0,014 0,74±0,003 0,39±0,003 0,26±0,042 детельствовал о достаточном количестве пигментов в листьях, в том числе хлорофилла – по показателю R2 (для сортов Петербургский и Холмогорский. Отмечали отсутствие деструкции тканей в результате отсутствия поражения болезнями или по физиологическим причинам у сортов Чародей, Рождественский и Невский (R3). Отсутствие обезвоживания листьев в результате азотного стресса характерно для сортов Белогорский, Чародей и Снегирь (R4). Общая жизнеспособность таких сортов, как Рождественский, Белогорский и Холмогорский оказалась повышенной (ФИС F1,3).

Все изучаемые сорта проявили отзывчивость на возрастающие дозы аммиачной селитры увеличением биомассы клубней – коэффициент детерминации составил 0,95-0,99(при уровне значимости Р=0,95).

Четко наблюдалось изменение зеленой окраски листовых пластин в соответствии с дозой азота). Зависимость фотометрических показателей от содержания хлорофилла в листьях показано ранее на растениях салата [13]. Различия по биомассе клубней между сортами при уборке составляли от 212,4 до 280,0 г/сосуд. Наибольшей была биомасса у сорта Холмогорский (280,0 г/сосуд), что на 6,1% выше контроля —

Таблица 2. Фотометрические показатели растений картофеля сортов по показаниям прибора N-Тестер (реакция на величину посадочных клубней)

Table 2. Photometric indicators of potato plants of varieties according to the readings of the N-Tester device (reaction to the size of planting tubers)

Сорт	Фотометрические показатели
	R 1	R 3	ФИС F 1,3
Невский	0,22±0,002	0,85±0,002	0,26±0,003
Рождественский	0,23±0,003	0,84±0,015	0,27±0,006
Белогорский	0,24±0,005	0,84±0,007	0,28±0,008
Чародей	0,21±0,003	0,86±0,004	0,24±0,003
Петербургский	0,19±0,003	0,85±0,004	0,23±0,004
Елизавета	0,23±0,003	0,87±0,005	0,26±0,003
Холмогорский	0,22±0,003	0,79±0,008	0,28±0,003
Снегирь	0,23±0,002	0,87±0,002	0,27±0,002

Рис.1 .Изменения фотометрического индекса стресса ФИС F 1,3 и коэффициентов отражения

R 1 и R 3 в зависимости от массы посадочного клубня картофеля сортов Холмогорский, Снегирь,Невский Fig.1.Changes in photometric stressindexFIS F 1,3 and reflection coefficients R 1 and R 3 depending on the massofplanting tuber ofpotato varietiesKholmogorsky,Snegir, Nevsky

универсальной реакцией растений на стресс, так как реакция генотипа обусловливает сохранение определённого уровня пигментов при любом стрессе, как экзогенном, так и эндогенном. Канал III можно определить, как канал специфических реакций генотипа на стресс, по нему можнохарактеризовать генотипически предопределённую реакцию устойчивости к определённому стрессору.

Следует также отметить, что обеспечение потенциальной генотипической устойчивости организма в виде снижения ФИС F1,3 соответствует включению разных механизмов адаптации растений к внешнему или внутреннему воздействию в зависимости от генотипа.Так,для сортаХолмогорский были отмечены лучшие значения ФИС F1,3в опыте для растений, выращенных в отсутствие эндогенного стресса (из клубней фракций 35-95 г). Такой весомый показатель обеспечивается как хорошим уровнем содержания пигментов в листьях, так и отсутствием деструкции тканей (Рис.1). Для сорта Снегирь, несмотря на отсутствие тканевых, клеточных повреждений (R3) также отмечалось пониженное содержание пигментов. А для сорта Невский, наоборот, при достаточном уровне пигментов в листьях, небольшая деструкция тканей листа (или наличие патоген- ного заболевания) привели к тому, что этот сорт имел ФИС F1,3 худший, чем у сорта Холмогорский.

На рисунке 1 показаны три различные типы обнаруженной реакции устойчивости к эндогенному стрессу. Тип реакции сорта Холмогорский является наиболее перспективным для выращивания растений в условиях стрессовой нагрузки и обеспечивают этому сорту хорошую жизнеспособность растений под воздействием стресса, например, азотного. Этот вывод совпадает с описанием характеристик сорта его авторами, где указываются его высокие адаптационные свойства. Повышение уровня жизнеспособности ведёт к формированию лучших биохимических и других физиологических показателей (табл. 3). Этот сорт накапливал больше крахмала и сухого вещества по сравнению с сортом-стандартом и меньше нитратов.

Выводы

Предложенный неинвазивный метод диагностики физиологического состояния растений картофеля позволяет в полевых и в контролируемых условиях определять основные оптические характеристики листьев, коэффициенты отражения, пропуска-

Таблица 3. Продуктивные и биохимические показатели растений трёх сортов картофеля (микрополевой опыт) Table 3. Productive and biochemical parameters of plants of three varieties of potatoes (microfield experience)

Невский              Холмогорский              Снегирь

Биохимические показатели

Крахмал, % 12,8±0,59 14,2±0,55 11,8±0,86 Нитраты, мг/кг 115±22 86±8 97±7 Сухое вещество, % 18,8±0,18 21,3±0,16 21,3±0,23 Сохраняемость клубней (за 4 месяца), % 84,0±3,15 90,7±0,62 93,0±0,41 Биометрические показатели Высота растений в фазу цветения, см 43,6±0,89 45,5±0,74 39,3±0,99 Среднее количество стеблей шт./раст. 2,0±0,08 1,6±0,06 2,0±0,10 Количество клубней в гнезде общее, шт. 4,9±0,25 5,1±0,27 4,6±0,28 Масса клубней с 1 куста, г 129,0±7,60 137,6±7,20 131,2±7,83 Масса клубней с 1 куста товарных, г 113,3±8,55 116,5±8,70 117,0±7,80 Масса 1 клубня средняя, г 28,0±1,84 29,0±1,64 31,5±2,42 Масса 1 товарного клубня, г 37,5±1,74 40,6±2,11 48,9±2,78 Товарность, % 87,1±1,05 83,6±2,16 88,0±1,31 ния и поглощения в условиях стресса. Фотометрические реакции растений на внешние воздействия являются нелинейными и неоднозначными функциями и зависят от интенсивности воздействия. По оптическим реакциям возможно выделение разных фаз стресса и физиологического состояния растений. Тип реакции сорта Холмогорский является наиболее перспективным для выращивания растений в условиях стрессовой нагрузки.

Учитывая вышеизложенное, можно сделать вывод о перспективности применения фотометрического анализа при определении физиологических и биохимических изменений в растениях; при характеристике признаков устойчивости растений к внутреннему или внешнему стрессу и при проведении сортоиспытания.

Об авторах:

Елена Николаевна Волкова – доктор с.-х. наук, ведущий научный сотрудник, Отдел 210 "Светофизиологии растений и биопродуктивности агроэкосистем", , автор для переписки,

"Светофизиологии растений и биопродуктивности агроэкосистем"

Aboutthe authors:

Elena N. Volkova – Doc. Sci. (Agriculture), Leading Researcher, Department 210 "Plant Light Physiology and Bioproductivity of Agroecosystems", , Correspondence Author,

Natalya A. Sheloukhova – Doc. Sci. (Biology),

Senior Researcher, Department 210

"Plant Light Physiology and

Bioproductivity of Agroecosystems"