Использование физиолого-биохимических методов для выявления механизмов адаптации субтропических, южных плодовых и декоративных культур в условиях субтропиков России

Условия влажных субтропиков России относительно благоприятны для выращивания южных плодовых и субтропических культур (персик, чай, цитрусовые, киви), а также многих декоративных красивоцветущих кустарников (гидрангея крупнолистная, вейгела и др.) (1-7). В то же время наблюдения, в частности, показывают, что в регионе в течение вегетации отмечаются засухи и высокие температуры воздуха, влияющие на накопление синтезируемых веществ в плодах и декоративность красивоцветущих форм, низкие температуры и обильные туманы в период цветения некото- рых культур (8). Следовательно, вопрос оценки устойчивости растений в этой зоне, выявление механизмов и поиск диагностических показателей адаптивности растений к неблагоприятным стрессорам имеют огромное значение.

Зона влажных субтропиков России уникальна по климатическим условиям (в том числе по набору стрессовых факторов), а растения, выращиваемые в этом регионе, обладают специфическими биологическими особенностями (9). Поэтому допустимо предположить, во-первых, наличие у культур общих механизмов устойчивости к конкретным факторам среды, во-вторых, то, что эти механизмы затрагивают базовые физиолого-биохимические процессы. Очевидно, что с устойчивостью к засухе может быть связан комплекс параметров водного режима (водный дефицит, концентрация клеточного сока, оводненность тканей листа) (10-13). Представляет интерес исследование пигментного аппарата, в частности каротиноидов, так как они, обладая антиоксидантными свойствами (1417), играют важную роль в защитных реакциях у растений (15, 17). Следовательно, усиленное накопление каротиноидов в неблагоприятных условиях вегетации необходимо для стимулирования адаптивных реакций и снижения общего стресса. Кроме того, известны механизмы, функционирующие на уровне ферментных систем и обеспечивающие приспособление растений к неблагоприятным условиям окружающей среды (18-26). В частности, в процессе метаболизма образуются агрессивные продукты, например перекиси (19, 21, 22). При оптимальном физиологическом состоянии растений перекиси разлагаются ферментами окислительновосстановительной группы (23, 24), однако под действием стрессовых факторов происходят функциональные нарушении, которые выражаются в изменении энзиматической активности (20, 25). Один из основных ферментов окислительно-восстановительной системы у растений — каталаза (18, 19, 22, 24, 26).

Также следует учитывать, что физиологические параметры чрезвычайно лабильны (13, 27, 28), поэтому, устанавливая индикаторные органы для каждой культуры, необходимо принимать во внимание возраст растения, физиологическую зрелость диагностируемого органа, его месторасположение и т.д.

Многими исследованиями доказано положительное влияние микроэлементов на способность растений противостоять неблагоприятным условиям, проявляя холодо-, жаро-, соле- и засухоустойчивость (29-34). С ростом устойчивости культур часто повышается не только их продуктивность, но и качество получаемой продукции. Иными словами, с действием микроэлементов может быть связан еще один из механизмов устойчивости.

Целью нашей работы было выявление показателей для оценки физиологического состояния культур, выращиваемых в условиях субтропиков России, и механизмов, повышающих устойчивость растений и влияющих на их продуктивность и качество.

Методика. На протяжении более 20 лет (1991-2014 годы) объектами изучения были сорта чая Колхида, Сочи, Каратум; киви Хейворд, Монти, Эллисон, Бруно; персика Донецкий желтый, Медин ред, Эрли ред, Эрли блоу, Лариса, Славутич, Red Haven; фундука Черкесский 2, Президент, Футкурами, Ломбардский красный, гидрангеи крупнолистной Bichon (Hortensia Group), Madame Maurice Hamard (Hortensia Group), Mariesii Perfecta (Lacecap Group), Draps Wonder (Hortensia Group). Полевые опыты проводили с растениями, произрастающими в различных по почвенноклиматическим условиям участках на территории Черноморского побере- жья Краснодарского края от Адлера до Гойтха (соответственно Адлерский и Туапсинский районы как самая южная и северная граница влажных субтропиков России).

Образцами для анализа служили физиологически зрелые листья, которые отбирали в 6-кратной повторности еженедельно, а при наступлении устойчивого стрессового периода — ежедневно. При оценке влияния микроэлементов на адаптивность растений чая в качестве индикаторного органа использовали физиологически зрелые листья (1-2-й лист, расположенный после так называемого «рыбьего» на побеге вегетации текущего года); при определении содержания элементов в продукции чая для анализов отбирали флеши (верхушечный побег с 2-3 нежными листьями).

Контролировали метеорологические особенности периода вегетации; набор агрохимических характеристик почвы (обеспеченность элементами питания, кислотно-основные свойства, влажность) (34), химический состав плодов и листьев, физиолого-биохимические и биометрические характеристики (35-42).

В исследованиях использовали методы математического моделирования и статистики (35, 42).

Результаты . В задачи проводимых экспериментов входило изучение биологических особенностей культур в условиях субтропиков России; установление функциональных показателей, которые изменяются под влиянием лимитирующих факторов, и разработка способов диагностики физиологического состояния растений на основе этих параметров; подбор (с использованием предлагаемых диагностических тестов) наиболее адаптированных к условиям субтропиков сортов, обладающих более мощными защитными механизмами; исследование влияния микроэлементов на адаптивность растений.

В основе используемого нами подхода к оценке и прогнозированию адаптивности лежало изучение изменений физиолого-биохимических процессов, происходящих в растении (35, 36, 38-40).

1. Зависимость показателей, характеризующих физиолого-биохимическое состояние растений фундука Corylus pontica C. Koch, от гидротермических условий в период вегетации (г. Сочи, Лазаревский р-н, 2010-2012 годы)

Показатель	Уравнения линейной	Коэффициент парной корреляции r
	регрессии	осадки, мм	температура воздуха, ° С
Оводненность, %          Y = 10,69 + 2,07 F 1 + 0,081 F2,        „ ,,                 „ R2 = 0, 36                                 0,66                   - 0,81 Водный дефицит, %       Y =19,31 - 0,07F 1 - 0,05F2,          nn-- R2 = 0,13                               - 0,76                  0,72 Водоудерживающая       Y = 2,67 + 1,41 F 1 + 0,15 F 2 ,          067 способность, %             R2 = 0,18                                ’                     ’ Свободная фракция        Y = 38,36 - 0,66 F 1 + 0,88 F 2 ,          „ воды, %                   R2 = 0,60                            0,83                 0,67 Активность каталазы       Y = 2782,21 + 125,59 F 1 + 3,50 F 2 ,     0 74                 0 83 в листьях фундука, мг О2/г R2 = 0,66                                ’                     ’ Содержание               Y = 0,01 + 0,02F 1 + 0,13F2,          0 68                  0 77 каротиноидов, мг/г _________R2 = 0,20                                ’                     ’ Примечание. F 1 — среднесуточная температура воздуха, ° С; F 2 — количество осадков, мм.

Например, ранее существовало мнение, что фундук обладает устойчивостью к биотическим и абиотическим факторам, а также потенциальной продуктивностью (43). Наши исследования (4) дали возможность выявить зависимость изучаемых признаков от гидротермических факторов (табл. 1). Определение активности каталазы в листьях растений фундука выявило тот факт, что резкое понижение или повышение показателя происходит в ответ на изменение погодных условий. Особенности этой культуры таковы, что максимум зеленых пигментов в листьях приходится на май, затем (к июлю) следует спад, связанный с наступлением неблагоприятного по водообеспеченности периода, который сопровождается повышенными температурами воздуха.

Иным образом изменялось количество каротиноидов: наименьший показатель отмечали в мае (0,36 мг/г), в дальнейшем (к августу) наблюдалось значительное (в 2 раза) увеличение содержания каротиноидов в клетках, что напрямую связано не только с ухудшением гидротермических факторов, но и со старением листа.

Зона влажных субтропиков России в целом оптимальна и благоприятна для возделывания такой перспективной южной плодовой культуры, как персик. Однако и у растений персика, по нашим данным, воздействие стрессовых факторов приводило к резкому изменению физиологических показателей (1). Так, при изучении активности каталазы было установлено, что по мере проявления гидротермического стресса активность фермента снижалась в среднем с 710,2-780,0 до 259,2-384,53 мл О₂/г. В дальнейшем высокие температуры воздуха в августе (свыше +30 ° C) ингибировали активность каталазы (до величины 58,93-94,20 мл О₂/г) у ряда сортов. Изменение ферментативной активности сопровождалось перегревом листьев, что усиливало водный дефицит до 18 %. В период активного нарастания ассимиляционной поверхности листьев, несмотря на нарушение гидротермического режима, увеличивалось содержание хлорофиллов а и b практически у всех изученных сортов персика. Установлено, что у ряда сортов одновременно с увеличением количества пигментов происходило снижение индекса хлорофиллов (a/b) и увеличение соотношения суммы хлорофиллов (а + b) и каротина. Это свидетельствует о достоверном повышении адаптивного потенциала изученных сортов, что также подтверждалось низким водным дефицитом у растений (в среднем 10,8-14,0 %).

2. Коэффициенты парной корреляции ( r ) между физиологическими характеристиками листьев у актинидии деликатесной Actinidia deliciosa Chevalier и гидротермическими условиями в период вегетации (г. Сочи, Адлерский р-н, 2009-2012 годы)

Показатель	Температура воздуха, ° C	Освещенность, лк	ФАР, Вт/м2	Относительная влажность воздуха, %
Связанная вода, %	- 0,99	0,99	0,47	0,95
Сухое вещество, %	0,88	- 0,95	- 0,83	- 0,69
Оводненность, %	- 0,88	0,95	0,83	0,69
Водный дефицит, % Водоудерживающая	0,88	- 0,86	- 0,92	0,93
способность, % Активность каталазы,	0,61	- 0,97	- 0,95	-
мл О 2 /г	- 0,83	0,68	0,66	- 0,59
Каротиноиды, мг/г Площадь листовой	0,79	0,98	0,86	-
пластинки, см2	-	- 0,55	- 0,77	0,50
Примечание. ФАР ниже средней.	— фотосинтетически активная радиация.		Прочерки означают, что корреляция

В последние десятилетия большое распространение в мировом плодоводстве получила актинидия сладкая, или деликатесная, сорта которой объединены под общим названием киви (kiwifruit). Мы оценили экологическую пластичность у актинидии деликатесной и выявили неустойчивость сортов Эллисон и Бруно к воздействию гидротермических условий и освещенности (3). В то же время подтверждена перспективность сорта Монти, который оказался достаточно устойчивым к стрессовым условиям периода вегетации (табл. 2). Нами разработана шкала изменения параметров, характеризующих водный режим листьев, для сравнительной оценки засухоустойчивости растений актинидии.

3. Активность каталазы в листьях разного возраста у чая Camellia sinensis (L.) Kuntze сорта Каратум (г. Сочи, Лазаревский р-н, 1997-2010 годы)

Номер листа на побеге	X ± S x	а 2	Cv , %
Флешь	48,0±5,2	24,2	34
1-2-й	93,8±3,4	16,8	12
3-4-й	107,1±4,5	16,9	8
5-6-й	76,9±7,3	28,7	6
7-8-й	76,1±4,5	62,5	7
9-10-й	48,7±0,7	22,9	6
11-12-й	38,8±0,6	16,8	10
13-14-й	38,9±2,5	26,2	30

При изучении эколого-физиологических особенностей растений чая и их реакции на абиотические факторы (2, 44, 48) нами были выделены физиологобиохимические параметры, тесно связанные с водным режимом. Это позволило в дальнейшем использовать их в диагностических целях: была разработана шкала изменения параметров водного режима листьев для сравнитель ной оценки засухоустойчивости растений, что дает возможность не только дифференцировать сорта чая на группы с разной засухоустойчивостью, но и проводить эколого-физиологическую оценку плантаций (2). Достоверную зависимость выявили между каталазной активностью и температурой (r = -0,52^-0,71), а также между активностью фермента и солнечной инсоляцией (r = -0,75...-0,79). Наибольшая активность фермента наблюдалась в 1-4-м листе на побеге после так называемого «рыбьего» (табл. 3); по мере старения листа активность каталазы уменьшалась (2), что подтверждает точку зрения на эти процессы М.Л. Цагарели и Г.Н. Пруидзе (45), связавших спад активности с замедлением обменных процессов в старых листьях и снижением интенсивности дыхания.

По нашим данным, содержание пигментов в листьях в 2,0-3,8 раза превышало их количество во флешах. При этом оказалось, что и для чая большее значение имеют гидротермические условия (2).

4. Шкала сравнительной оценки засухоустойчивости гидрангеи крупнолистной Hydrangea ma-crophylla Ser. по изменению параметров водного режима листьев (г. Сочи, Лазаревский р-н, 1997-2010 годы)

Условия	Показатель	Степень устойчивости
		высокая	| средняя! низкая
Оптимальные	Оводненность листьев	82-84	78-82	< 75
	Водный дефицит	5-9	9-12	> 12
	ККС в листьях	8	8	8
В период или после завядания	Оводненность листьев	78-80	73-78	< 73
	Водный дефицит	10-15	15-20	> 20
	ККС в листьях	9-12	12-15	> 15

Примечание. ККС — концентрация клеточного сока листьев.

В практике декоративного садоводства предпочтение отдается устойчивым к условиям региона культурам. Большой популярностью пользуется группа красивоцветущих кустарников, в которую входят вейгела Вагнера (Wei-gela х wagneri L.H. Bailey) и гидрангея крупнолистная H. macrophylla Ser. Изучение водного статуса послужило основой для разра- ботки методики по оценке и отбору засухоустойчивых перспективных сор- тов этих культур и шкалы изменения параметров водного режима листьев у гидрангеи крупнолистной (табл. 4), что позволяет дифференцировать сорта на группы с разной степенью засухоустойчивости (5, 46). Подобные шкалы разработаны нами и для таких культур, как чай Camellia sinensis (L.) Kuntze, фундук Corylus pontica C. Koch, киви Actinidia deliciosa Chevalier (24, 49). В настоящее время выполняются эксперименты по созданию диагностической шкалы для сортов вейгелы.

Многими исследователями доказано положительное влияние микроэлементов на способность растений противостоять неблагоприятным условиям, проявляя холодо-, жаро-, соле- и засухоустойчивость (29-33). Мы оценили эффект микроэлементов в отношении изученных культур. Наиболее масштабные исследования были выполнены на растениях чая Camellia sinensis (L.) Kuntze сортов Каратум, Колхида и Сочи (2, 44, 47, 50, 51). Сравнение количества микроэлементов и характера их распределения позволило расположить органы растений в следующем порядке (по убыванию значений анализируемого показателя): по общему содержанию — листья > стебель > корень; по содержанию меди, участвующей в процессе ферментации чайного листа, — побеги > листья > корни > стебель; по накоплению цинка и железа органы располагались сходным образом — корень > стебель > листья. Кроме того, наблюдения выявили наличие определенной тенденции в процессах аккумуляции и распределения микроэлементов по клеточным структурам в листьях чайного растения. При этом было показано, что в органоидах (преимущественно в хлоропластах) превалирует форма, которая способна образовывать хелатные соединения, обладающие повышенной физиологической активностью. По нашим данным, микроэлементы локализуются в цитоплазме, органоидах, клеточной стенке, и прочность их связи в органоидах связана с локализацией элементов в белковой строме (2).

Внекорневые подкормки микроэлементами улучшали качество чайного листа: содержание экстрактивных веществ и танина при внесении меди и цинка существенно превышало показатели в контроле. Количество кофеина в зеленом листе существенно понижалось при обработке растений медью ( r = +0,6) и марганцем ( r = +0,7), а при внесении сернокислого железа — достоверно увеличивалось (2). Кроме того, внекорневые подкормки растений Cu, Mn, Zn и Fe значительно повлияли на способность формировать побеги: при внесении меди и железа величина r составила 0,56-0,62, марганца и цинка — 0,72-0,76.

Проведенные комплексные физиолого-биохимические исследования адаптационной способности субтропических, южных плодовых, декоративных культур и чая позволили выявить индикаторные признаки, позволяющие оценивать и прогнозировать степень приспособленности культур и их реакцию на стрессовые факторы, специфические для условий влажных субтропиков России. В результате для выращивания в регионе рекомендованы сорта с повышенной устойчивостью: для киви — сорт Monty из Новой Зеландии со значительной стабильностью физиологобиохимических реакций; для фундука — сорт Президент селекции Всероссийского НИИ цветоводства и субтропических культур. Как перспективные рассматриваются сорта персика Донецкий желтый, Медин ред, Эрли ред, Эрли блоу, Лариса, Славутич и Red Haven. Рекомендованы для выращивания сорта гидрангеи крупнолистной с повышенной адаптивностью (Mariesii Perfecta, Draps Wonder и Madame Maurice Hamard) .

Кроме того, разработаны рекомендации по внекорневой подкормке микроэлементами молодых (50) и полновозрастных растений чая (51), по диагностике потребности растений в микроэлементах (47), по применению показателей, позволяющих диагностировать устойчивость растений чая к стресс-факторам (48), по оценке засухоустойчивости у гидрангеи крупнолистной ( H . macrophylla Ser.) (47).

Таким образом, выявлены физиолого-биохимические показатели, позволяющие оценить физиологическое состояние культур (фундук, персик, киви, чай, красивоцветущие кустарники) и их устойчивость к абиотическим стрессорам — резкому снижению температуры в ранневесенний период, обильным туманам и затяжным дождям во время цветения, засухе и высоким температурам воздуха в течение вегетации в условиях влажных субтропиков России. Надежными индикаторами степени адаптивности культур служат особенности водного режима, активность ферментов дыхательного цикла (в частности, каталазы), фотосинтетический потенциал растений. Установлены общие закономерности в проявлении защитноприспособительных реакций в ответ на влияние неблагоприятных факторов: изменение активности каталазы, увеличение синтеза каротиноидов, снижение индекса хлорофиллов (a/b) и увеличение соотношения суммы хлорофиллов (a + b) и каротина, повышение концентрации клеточного сока и снижение водного дефицита листьев. Предложены критерии оценки адаптивного потенциала растений, на основе чего разработан ряд рекомендаций по тестированию и коррекции состояния и приспособительных свойств растений. По результатам таких исследований выявлены и получены сорта, перспективные для возделывания в условиях российских субтропиков.