Применение аэропоники для адаптации плодово-ягодных культур к условиям ex vitro

Применение аэропоники для адаптации плодово-ягодных культур к условиям ex vitro / Е.А. Калашникова, Д.А. Швец, Э.В. Навроцкая, Р.Н. Киракосян. – DOI 10.24419/LHI.2304-3083.2020.2.09. – Текст : электронный // Лесохоз. информ. : электронный сетевой журнал. – 2020. – № 2. – С. 109–118. URL:

Р усский лес богат дикорастущими плодовыми и ягодными растениями. Сбор и заготовку плодов и ягод проводят централизованно и для личного потребления. Более 60 видов растений, произрастающих в лесных массивах, на вырубках, гарях и других землях лесного фонда, представляют собой значительные биологические ресурсы [1].

Дикорастущие ягодники – непременный компонент большинства экосистем. Они являются жизненно важным источником изменчивости, который может быть неоднократно исследован на предмет полезных признаков [2]. Однако такие факторы, как, например, значительное сокращение ягодоносных площадей дикорастущих ягодников и снижение их продуктивности, происходящее в результате трансформаций лесных угодий, привели к резкому сокращению объемов возможных ежегодных заготовок и эксплуатационного запаса ягод [3]. Поэтому поддержание и детальное изучение природного генофонда и биоразнообразия лесных ягодных культур является важным направлением научных исследований.

Для рентабельного выращивания ягодных культур недостаточно осуществлять агротехнические мероприятия по выращиванию и уходу за естественно формирующимися дикими ягодными формами. Прежде всего необходимо создавать и поддерживать высокоурожайные сорта лесных ягодных культур, хорошо адаптированных к климату различных регионов России.

Для успешного культивирования ягодных культур нужно использовать высокоэффективные, экономически выгодные и надежные технологии выращивания высококачественного посадочного материала. Одним из распространенных методов размножения ягодных культур является вегетативное размножение (отводками, черенками и др.). Однако успешное применение этого метода ограничено, поскольку он требует больших площадей, производственных и экономических затрат для выращивания посадочного материала, а также проведения интенсивных мероприятий по контролю за сорняками. Поэтому в последнее время все больше входит в практику размножение плодово-ягодных культур методом in vitro – клональное микроразмножение. Именно благодаря этой технологии гарантируется качество и безопасность продукции по сравнению с традиционным производством.

Однако следует отметить, что для усовершенствования технологии клонального микроразмножения необходимо тщательно проводить исследования по подбору оптимальных условий выращивания на всех этапах. Особо следует отметить этап адаптации клонированных растений к условиям ex vitro , на котором нередко можно наблюдать 100%-ю гибель растений-регенерантов. Поэтому подбор эффективных технологий, позволяющих решить существующие проблемы адаптации растений, является актуальным направлением исследований в области биотехнологии растений. К таким инновационным технологиям в последнее время относится аэропоника – метод выращивания растений в воздушной среде без использования почвы, при котором питательные вещества к корням растений доставляются в виде аэрозоля. Аэропонные установки обеспечивают оптимальные режимы выращивания растений, что позволяет полностью реализовать их потенциал, а также способствует росту надземной биомассы и формированию мощной корневой системы [4, 5].

В связи с тем что исследования по выращиванию плодово-ягодных культур с применением аэропонной технологии ранее не проводились, работа в этом направлении представляет интерес, а полученные результаты имеют как теоретическую, так и практическую значимость.

Цель работы – усовершенствование технологии клонального микроразмножения плодово-ягодных культур за счет применения аэропон-ных установок.

Объекты и методы исследований

Объектами исследования служили перспективные сорта малины (Оранжевое Чудо), ежевики (Black Satin) и винограда (Muscat Ottonel, Moldova, Monarсh). Для адаптации использовали растения-регенеранты, размноженные на питательной среде, содержащей минеральные соли по прописи Мурасиге-Скуга (МС), 6-бензила-минопурин (6-БАП) – 1 мг/л, индолилуксусную кислоту (ИУК) – 0,5 мг/л, а также сахарозу – 3% и агар-агар – 0,8%.

В ходе исследований применяли 2 варианта адаптации клоновых растений к условиям ex vitro : 1) непосредственно в почве, 2) в аэропон-ной установке. Схема эксперимента приведена на рис. 1.

При первом варианте адаптации микроклоны переносили в торфяные горшочки, заполненные универсальным грунтом фирмы «ФАСКО». В состав грунта входили: верховой торф, низинный торф, песок, известняковая (доломитовая) мука в соотношении 1:1:1:1, комплексное минеральное удобрение с микроэлементами и макроэлементами (азот – 350 мг/кг, фосфор – 400 мг/ кг, калий – 500 мг/кг), pH – 6,5 [4].

Во втором варианте в качестве оборудования для адаптации микрорастений использовали пропагатор X-Stream 120 (рис. 2) – аэропонный клонер на 120 посадочных мест с системой орошения корневой зоны черенков.

Аэропонный аппарат представляет собой емкость для питательного раствора, или пропагатор, объемом 70 л; 8 вертикально направленных форсунок с углом распыления для подачи аэрозоля из емкости к корневой системе; насос, в качестве которого выступала аквариумная помпа для подачи воды мощностью 30 Вт [6].

В состав питательного раствора входили следующие компоненты: 50 л отстоявшейся воды, а также комплексные удобрения Flora Series, макроэлементы Flora Gro, обеспечивающие активный рост растений, микроэлементы Flora Mic, Flora Bloom, необходимые для индуцирования цветения. Для лучшей усвояемости корнями питательных веществ pH раствора поддерживали в пределах 5,8–6,2 [7].

Перед адаптацией корневую систему микроклонов стерилизовали раствором марганцовки, после чего растения помещали

Рис. 1. Адаптация растений к условиям ex vitro

(А, Б, В – побеги растений, полученные в культуре in vitro)

Рис. 2. Аэропонный клонер (фирма «GrowPlant»)

в шайбы-держатели диаметром 40 мм, изготовленные из неопрена, и переносили в пропагатор (рис. 3). Сверху растения накрывали прозрачной крышкой с вентиляционными заслонками, которые обеспечивали соблюдение температурного и влажностного режима.

В качестве показателей адаптации растений к условиям ex vitro учитывали прирост надземной части растений и корневой системы (см), а также приживаемость растений (%) ex vitro .

Результаты исследований

В результате исследований установлено, что при культивировании в почвенных условиях на 14-е сут отмечалась 100%-я гибель растений винограда из-за образования некрозов на листьях и побегах. На листовых пластинках малины и ежевики развитие плесени спустя 2 нед. наблюдалось у 17% высаженных на адаптацию микрорастений. Вероятно, это связано с недостаточной аэрацией и нарушением водного режима. Прирост вегетативной массы растений малины и ежевики происходил медленно. Средний прирост побегов за 2 мес. адаптации составил 1,5– 2 см. Рост главного и боковых корней у малины и ежевики происходил медленно, формирования корневых волосков не было отмечено; средний прирост корневой системы составил 2,3 и 2,8 см соответственно.

При выращивании в аэропонной установке микроклонов плодово-ягодных культур отмечалась 100%-я приживаемость растений, листья были ярко-зеленого цвета без признаков некроза. Благодаря постоянной подаче питательных веществ, кислорода и воды, у растений быстро развивалась корневая система и интенсивно формировалась вегетативная биомасса. На 40-е сут адаптации растений-регенерантов винограда в аэропонной установке средняя длина главного побега достигла 12 см, а боковых побегов, образовавшихся из пазушных почек, – 20 см (рис. 4).

Рис. 3. Адаптация микрорастений в аэропонной установке

Кроме того, у микроклонов винограда сформировалась мощная корневая система, что в дальнейшем оказало положительное влияние на рост растений в почвенных условиях. Интенсивный рост вегетативной биомассы и корневой системы в аэропонной установке был характерен для всех изучаемых сортов винограда.

Культивирование микроклонов малины и ежевики в аэропонной установке также протекало более успешно, чем в почвенных условиях (рис. 5, 6). Так, на 40-е сут с начала адаптации высота главного побега малины и ежевики составила 4,8 см и 5,9 см, а длина корневой системы – 8,8 см и 8,7 см соответственно.

В ходе исследований установлено, что на величину прироста надземной биомассы и корневой системы в условиях аэропонной установки существенное влияние оказывает размер исходного микроклона. Так, например, для растений малины наилучшие результаты были получены при использовании растений-регенерантов высотой 2–3 см. Длина побегов этих растений за 2 мес. выращивания увеличилась в 3,7 раза, а длина корневой системы – в 14–15 раз. Для микроклонов ежевики наибольший прирост биомассы отмечен при использовании для адаптации растений-регенерантов высотой 3–4 см. При этом длина побегов увеличилась более чем в 3 раза, а длина корней – в 22,5 раза.

Спустя 2 мес. после всех вышеизложенных операций сформировавшиеся в аэропонной установке растения винограда, малины и ежевики исследуемых сортов были перенесены в почвенные условия для дальнейшего доращивания. В качестве субстрата использовали смесь из земли и вермикулита в соотношении 1 : 3, помещенную на керамзитную основу. Полив и опрыскивание осуществляли по мере необходимости.

В почвенных условиях наблюдался дальнейший рост побегов и продолжалось формирование

Рис. 4. Растения винограда, культивируемые в аэропонной установке (A – Muscat Ottonel, Б – Moldova, B – Monarсh)

абв г

Рис. 5. Микроклоны малины (сорт Оранжевое чудо), культивированные в аэропонной установке: А – 1-е сут; Б – 7-е сут; В – 21-е сут; Г – 35-е сут

абв г

Рис. 6. Микроклоны ежевики (сорт Black Satin) в аэропонной установке: А – 1-е сут; Б – 7-е сут; В – 21-е сут; Г – 35-е сут

корневой системы, что не было отмечено при переносе микроклонов в почву сразу из пробирки (рис. 7–9). Таким образом, аэропонные установки позволяют растениям легче преодолевать стресс при переводе их из условий in vitro в ex vitro .

На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что на последнем этапе клонального микроразмножения для адаптации плодово-ягодных культур ex vitro целесообразно применять аэропонные технологии, которые позволяют получать высококачественный оздоровленный посадочный материал, востребованный для восполнения биологических ресурсов в лесном хозяйстве.

Рис. 7. Микроклоны винограда в почвенных условиях после применения аэропоники (А – Muscat Ottonel, Б – Moldova, В – Monarh)

а

Рис. 8. Растения малины, пересаженные в грунт после адаптации: в аэропонной установке (А), непосредственно в грунте (Б)

б

аб

Рис. 9. Растения ежевики, пересаженные в грунт после адаптации: в аэропонной установке (А), непосредственно в грунте (Б)