Сравнительная оценка эффективности drop-воздействий и "периодической засухи" как приемов управления ростом растений огурца (Cucumis sativus L.)

Многие годы наиболее эффективным способом управления линейным ростом растений считалось применение химических регуляторов, обладающих ретардантным эффектом (1, 2). Однако в последние 30 лет в мире постоянно вводятся все новые правовые ограничения на их применение из-за риска загрязнения окружающей среды и потенциальной опасности остатков химических веществ для здоровья человека. Это стало ве- сомой побудительной причиной для проведения исследований с целью поиска новых способов и приемов управления ростом тепличных сельскохозяйственных культур (5-8). При этом используются такие естественные факторы, влияющие на рост растений, как температура, свет (интенсивность и спектральный состав), фотопериод, относительная влажность воздуха (ОВВ), концентрация СО2, а также плотность посадки растений и размер контейнеров. Результаты манипулирования этими факторами и их анализ показали, что не все способы, эффективно уменьшающие высоту растений, применимы с коммерческой точки зрения. Наиболее перспективным в практическом плане оказалось управление ростом растений посредством изменения температуры и параметров водного режима (2, 4, 9, 10). Так, в середине 1980-х годов обнаружили, что с помощью более низкой дневной температуры можно снижать высоту у многих видов (3, 5, 7). Однако практическое использование этой возможности ограничено в течение года периодами с низкой температурой воздуха. Несколько позже в тепличных хозяйствах стали применять более экономичный прием ежесуточного кратковременного понижения температуры, получивший название «temperature drop» (в Европе) и «temperature dip» или «cool morning pulse» (в США), который тормозил рост в высоту у многих культур ((7, 11, 12). Обычно в этом случае температуру снижают в конце ночи, а утром за счет ламп подсветки обеспечивают дополнительный приток энергии для подъема температуры после ее понижения.

Аналогично низкотемпературным воздействиям, так называемая «периодическая засуха» (создание нелетального водного дефицита) тоже применяется в растениеводстве с целью торможения роста растений как еще одна альтернатива ретардантам (13-16). Считается, что при этом у растений не только уменьшается высота, но и повышается устойчивость, благодаря чему они лучше переносят возможные стрессы, возникающие, например, во время транспортировки, продажи или после высадки в грунт (17). Водный стресс в основном применяют в тепличном производстве рассады клумбовых растений (14, 17, 18), у которых высота служит важным показателем качества, так как чрезмерный рост приводит к увеличению расходов на транспортировку и большей чувствительности к условиям хранения (15, 16).

Следовательно, и ежесуточные кратковременные понижения температуры (DROP-воздействия), и водный стресс («периодическая засуха») способны тормозить линейный рост растений. Однако в литературе нет данных о том, какой из этих двух агроприемов эффективнее. Неясно также, может ли эффект усиливаться при их совместном применении, поскольку механизмы действия этих факторов на растения неодинаковы.

В этом сообщении на примере растений огурца мы впервые показали б о льшую результативность DROP метода. Снижение температуры в сочетании с периодической засухой так же замедляет линейный рост и при этом повышает устойчивость растений к водному дефициту, но ухудшает некоторые физиолого-морфологические характеристики в зависимости от относительной влажности воздуха (ОВВ).

Цель работы заключалась в изучении раздельного и совместного влияния двух естественных факторов (температура и влажность) как способов воздействия на линейный рост и устойчивость растений в условиях теплицы.

Методика. Растения огурца (Cucumis sativus L., гибрид Зозуля F1) выращивали в вегетационных сосудах (250 мл) с песком в камере искусственного климата (Votsch VB 1014, «Votsch Indusrietechnik GmbH», Герма- ния) при поливе питательным раствором (в мг/л: 226 N, 55 P, 370 K, 180 Ca, 40 Mg, 45 S, 17 Na, 52 Cl, 2,5 Fe, 0,6 Mn, 0,35 B, 0,3 Zn, 0,15 Cu и 0,05 Mo, рН 6,2-6,4); температура воздуха 23 °С, фотосинтетически активная радиация (ФАР) 150 мкмоль/(м2•с), фотопериод 12 ч. Все опыты проводили при условно высокой (80 %) или низкой (30 %) ОВВ. Начиная с 6-х сут от замачивания семян, когда развернулись семядольные листья, применяли разные режимы полива — ежесуточно или после высыхания субстрата (песка) (1 раз в 2-3 сут), создавая тем самым условия так называемой «периодической засухи» (вариант «засуха»). Начиная с 14-х сут от замачивания семян, когда первый настоящий лист находился в фазе активного роста, достигнув половины окончательного размера, часть растений с разными режимами полива в течение 6 сут подвергали действию температуры 10 °С в течение 2 ч (плюс 30 мин на снижение и 30 мин на повышение температуры) в конце ночного периода (вариант DROP). Температуру снижали и повышали со скоростью 0,4 °С/мин. Контролем служили растения, получающие ежесуточный полив и не подвергавшиеся низкотемпературным воздействиям. Всего провели две серии опытов в условиях разной ОВВ — высокой (80 %) или низкой (30 %), в каждой из которых было по 4 варианта со следующими условиями: 1-й вариант — постоянная температура 23 °С, ежесуточный полив (контроль); 2-й вариант — DROP-воздействия, ежесуточный полив (DROP); 3-й вариант — постоянная температура 23 °С, «периодическая засуха» («засуха»); 4-й вариант — DROP-воздействия, «периодическая засуха» (DROP + «засуха»).

По окончании DROP-воздействий по 6 растений из каждого варианта (контроль, DROP, «засуха», DROP + «засуха») подвергали воздействию температуры 4 ° С в темноте в камере с ОВВ 90-100 % в течение 24 ч («холодовой тест»), после чего их помещали на 24 ч в камеру с температурой 23 ° С.

Все измерения проводили через 1 сут после завершения DROP-воздействий или через 1 сут после завершения ходового теста. Определяли высоту растений, длину черешков листьев, площадь и число листьев, достигших длины 10 мм и более, и сухую биомассу растений. Компактность растений рассчитывали как отношение сухой массы растения к его высоте (мг/см) или как отношение площади листьев к высоте растения (см2/см) (19).

Об устойчивости листьев к низким температурам и водному стрессу судили по относительному выходу электролитов (ОВЭ) из тканей листа, который определяли с использованием кондуктометра Эксперт-002 с датчиком для микрообьемов УЭП-П-С («Эконикс-Эксперт», Россия) и по интенсивности перекисного окисления липидов, оцениваемой по содержанию малонового диальдегида (МДА) по методике R.L. Heath и L. Packer (20).

Каждый опыт повторяли дважды. На рисунках представлены средние значения ( M) для n >  6 и их стандартные ошибки (±SEM). Разницу между средними значениями определяли на основе дисперсионного анализа (по критерию LSD) с использованием программного обеспечения Statistica (v. 8.0.550.0, «StatSoft Inc.», США) и считали статистически значимой при p < 0,05.

Результаты . Проведенное исследование показало, что и DROP-воздействия, и «периодическая засуха» уменьшают высоту растения и длину черешков листьев при высокой и низкой ОВВ (рис. 1, А, Б, табл.). При совместном действии DROP и «засухи» эффект оказался сильнее, что привело к еще большему уменьшению высоты и длины черешков листьев. Отметим, что в таблице приведены значения показателей в процентах от 530

контроля, но в условиях низкой ОВВ значения биометрических параметров контрольных растений (высота растения, длина черешков листьев, площадь листьев и сухой вес растений) были снижены вдвое, а число ли- стьев — на треть.

Рис. 1. Высота растения (А) , длина черешков листьев (Б) , площадь (В) , сухая масса (Г) и компактность (Д, Е) контрольных (1) и подвергавшихся DROP-воздействиям (2) , «засухе» (3) и совместному действию DROP и «засухи» (4) растений огурца ( Cucumis sativus L., гибрид Зозуля F 1 ) при относительной влажности воздуха 80 % или 30 % (вегетационные опыты). Разные буквы указывают на статистическую достоверность различий средних значений при p < 0,05.

Показатели роста, развития и устойчивости растений огурца ( Cucumis sativus L., гибрид Зозуля F₁) под влиянием DROP-воздействий, «периодической засухи» и их совместного применения (от контроля, %) (вегетационные опыты)

	Варианты опыта
Показатель	ОВВ 80 %			ОВВ 30 %
	DROP	засуха DROP + «засуха»		DROP	засуха DROP + «засуха»
Высота растений	90*	97	83*	95	92*	87*
Длина черешков листьев	92*	90*	71*	83*	79*	61*
Площадь листьев	103	77*	79*	90*	75*	59*
Количество листьев	100	100	80*	103	94	73*
Сухой вес растений	112*	87*	95*	98	69*	59*
Компактность
по биомассе	124*	89*	114*	103	75*	68*
по площади листьев	113*	80*	100	94	82*	71*
Содержание МДА	95	48*	34*	100	93	83*
ОВЭ	102	57*	21*	65*	76*	65*

П р и м е ч а н и е. Показатели контрольных растений приняты за 100 %. Абсолютные значения показателей контрольных растений приведены на рисунках 1 и 2. Содержание малонового диальдегида (МДА) и относительный выход электролитов (ОВЭ) приведены для листьев растений после холодового теста.

* Различия с контролем статистически значимы при р < 0,05.

Площадь листьев не уменьшалась в результате DROP-воздействий (с ежесуточным поливом) при высокой ОВВ и снижалась на 10 % при низкой ОВВ. «Засуха» приводила к достоверному (p < 0,05) уменьшению площади листьев на 23 и 25 % в условиях соответственно высокой и низкой ОВВ (см. рис. 1, В, табл.). При совместном действии DROP и «засухи» эффект усиливался (уменьшение площади листьев на 41 %, p < 0,05) только в условиях низкой ОВВ. DROP-воздействия и «засуха» не влияли на скорость появления листьев, однако при совместном действии этих факторов число листьев уменьшалось на соответственно 20 и 27 % (p < 0,05) в условиях высокой и низкой ОВВ (см. табл.).

Сухая масса растений под влиянием DROP-воздействий увеличивалась по сравнению с контролем на 12 % (p < 0,05) при высокой ОВВ и не отличался от контроля при низкой ОВВ (см. рис. 1, Г, табл.). «Засуха» снижала сухую массу растений в условиях высокой и низкой ОВВ соответственно на 13 и 31 % (p < 0,05). При совместном действии DROP и «засухи» сухая масса уменьшалась на 5 % (p < 0,05) при высокой ОВВ и на 41 % (p < 0,05) — при низкой. Под влиянием DROP-воздействий при высокой ОВВ увеличивалось соотношение сухой биомассы и высоты растения (на 24 %, p < 0,05), а также отношение площади листьев к высоте растения (на 13 %, p < 0,05); при низкой ОВВ эти показатели не отличались от контроля (см. рис. 1, Д, Е, табл.). «Засуха» во всех вариантах опыта приводила к снижению показателей компактности растений. Совместное действие DROP и «засухи» вызывало увеличение отношения сухой биомассы к высоте растения на 14 % (p < 0,05) только в условиях высокой ОВВ, а при низкой ОВВ компактность была даже ниже, чем при раздельном применении этих методов.

Рис. 2. Содержание МДА (А, Б) и относительный выход электролитов (ОВЭ) (В, Г) до холодового тестирования (А, В) и после него (Б, Г) у контрольных (1) и подвергавшихся DROP-воздействиям (2) , «засухе» (3) и совместному действию DROP и «засухи» (4) растений огурца ( Cucumis sativus L., гибрид Зозуля F 1 ) при относительной влажности воздуха 80 % или 30 % (вегетационные опыты). Разные буквы указывают на статистическую достоверность различий средних значений при p < 0,05.

Содержание МДА, свидетельствующее об интенсивности перекисного окисления липидов, было ниже на 11 и 17 % (p < 0,05) в листьях растений, подвергавшихся DROP-воздействиям соответственно при высо- кой и низкой ОВВ (рис. 2, А). «Засуха» снижала содержание МДА на 11 % (p < 0,05) только в условиях высокой ОВВ, не влияя на этот показатель при низкой ОВВ. При совместном действии DROP и «засухи» и высокой ОВВ происходило большее снижение содержания МДА (на 27 %, p < 0,05), тогда как при низкой ОВВ оно составляло 17 % (p < 0,05), как и в случае отдельного применения DROP-воздействий. Значения ОВЭ при высокой ОВВ у растений под влиянием DROP были на 15 % ниже (p < 0,05) контрольных, но в вариантах «засуха» и DROP + «засуха» не отличались достоверно от контроля (см. рис. 2, В). При низкой ОВВ DROP-воздействия не влияли на ОВЭ, а «засуха» отдельно и совместно с DROP приводила к увеличению ОВЭ соответственно на 20 и 15 % (p < 0,05).

Рис. 3. Первый и второй настоящий лист контрольных растений (Контроль) и подвергавшихся DROP-воздействиям (DROP) , «периодической засухе» («Засуха») и совместному действию DROP и «засухи» при относительной влажности воздуха (ОВВ) 30 % (А) или 80 % (Б) после холодового теста (4 ° С в течение 1 сут) у огурца ( Cucumis sativus L., гибрид Зозуля F 1 ) (вегетационные опыты).

После холодового теста (4 °С в течение 1 сут) визуально фиксируемые холодовые повреждения (некроз листьев) во всех вариантах опыта были более выраженными у растений, выросших в условиях высокой ОВВ (рис. 3). Наиболее поврежденными были листья контрольных растений, а наименьшие повреждения наблюдались у растений, подвергавшихся совместному действию DROP и «засухи» (см. рис. 3). Содержание МДА в листьях растений, подвергавшихся DROP-воздействиям, не отличалось от контроля (см. рис. 2, Б, табл.), независимо от ОВВ. Листья растений, под- вергавшихся действию «засухи», имели значительно более низкое (на 52 %) содержание МДА при высокой ОВВ и сопоставимое с контролем — при низкой ОВВ. В варианте DROP + «засуха» содержание МДА было на 66 и 17 % ниже контроля соответственно при высокой и низкой ОВВ.

ОВЭ после холодового теста был на уровне контроля у растений, подвергавшихся DROP-воздействиям при высокой ОВВ, и на 24% меньше при низкой ОВВ. В вариантах «засуха» и DROP + «засуха» ОВЭ при высокой ОВВ значительно снижался — соответственно на 43 и 79 %, а при низкой ОВВ — только на 24-35 % (см. рис. 2. Г, табл.).

Результаты работы показали, что в условиях высокой ОВВ и нормального полива DROP-воздействия оказывают хорошо выраженный морфогенетический эффект, уменьшая линейные размеры растений. При этом несколько увеличивается сухой вес растений, что приводит к повышению отношения сухой массы к высоте растения. Увеличивается также отношение площади листьев к высоте растения, то есть растения становятся более компактными. Ранее сходный эффект был показан при поливе рассады томатов холодной водой (5 ° С и 15 ° С), что приводило к увеличению отношения сухой массы к высоте растения на 28 и 32 % по сравнению с вариантом, в котором полив проводился водой с температурой 27,530,5 ° С (21). Компактность растений, которая определяется не просто как уменьшение линейных размеров органов растения, а как отношение сухой массы растения к его высоте (19), так же, как и в нашем опыте, увеличивалась в результате уменьшения высоты растения при сохранении скорости накопления биомассы.

При низкой ОВВ мы наблюдали значительное торможение всех ростовых процессов — и линейного роста, и накопления биомассы, однако относительное уменьшение высоты растений было больше, чем снижение сухой массы, что в результате также привело к увеличению отношения биомассы растения к его высоте при нормальном поливе. В этих условиях DROP-воздействия не дали дополнительного эффекта. Следовательно, можно заключить, что низкая ОВВ нивелирует влияние DROP в отношении компактности растений. Сама по себе низкая ОВВ в наших опытах приводила к значительному снижению высоты растений, что противоречит мнению некоторых авторов (22, 23) о слабом влиянии ОВВ на рост растений в высоту, но согласуется с выводами о наличии положительной корреляции между длиной побега и ОВВ (24-26). Однако необходимо отметить, что хотя при низкой ОВВ происходит торможение роста, а отношение сухой массы растения к его высоте увеличивается, такой способ вряд ли представляет практический интерес в качестве альтернативы ретардантам из-за значительного снижения площади листьев и биомассы растений.

«Периодическая засуха» также оказала на растения хорошо выраженный морфогенетический эффект, заключающийся в снижении высоты и длины черешков листьев, но, в отличие от DROP-воздействий, «засуха» уменьшала площадь листьев и сухую массу растений. В результате уменьшалось отношение сухой массы растения к его высоте и отношение площади листьев к высоте растения. Подобные результаты, когда «засуха» уменьшала линейные размеры растений, но не увеличивала их компактность, наблюдали и у других видов (19). В литературе также отмечаются другие побочные эффекты применения водного стресса для управления ростом растений: снижение скорости фотосинтеза, уменьшение ветвления, увеличение разброса по высоте растений, ухудшение декоративных свойств (например, из-за изменения угла наклона листьев), более позднее и менее обильное цветение (16, 27, 28).

Совместное действие DROP и «засухи» усилило торможение линейного роста по сравнению с их раздельным применением, но вследствие уменьшения площади листьев и сухой массы растений это вело к увеличению отношения сухой массы растения к его высоте лишь на 14 % (p < 0,05) и только в условиях высокой ОВВ, тогда как повышение этого показателя под влиянием DROP-воздействий при нормальном поливе составляло 24 % (p < 0,05). Кроме того, при совместном действии DROP и «засухи» мы наблюдали задержку в появлении листьев.

Следует отметить тот факт, что, по нашим данным, и DROP-воздействия, и «периодическая засуха» не приводят ни к повышению интенсивности перекисного окисления липидов, оцениваемого по содержанию МДА, ни к увеличению проницаемости клеточных мембран, охарактеризованную по показателю ОВЭ. Результаты холодового теста продемонстрировали, что растения, подвергавшиеся совместному действию DROP и «засухи», оказались наиболее холодоустойчивыми. Вероятно, их повышенная устойчивость к низкой температуре обусловлена большей устойчивостью к водному стрессу, вызванному действием низкой температуры. Во многих работах показано, что охлаждение влияет на теплолюбивые растения косвенно, через водный стресс, нарушая водный обмен растений (29). В подобных случаях первичной причиной холодовых повреждений у теплолюбивых видов служит падение тургора в результате нарушения контроля за устьичной проводимостью и потери воды в процессе транспирации при снижении способности корней компенсировать эти потери. После возвращения в нормальные условия на высохших частях листьев появляются некротические пятна, что и наблюдалось в наших опытах, особенно у контрольных растений, выросших в условиях высокой ОВВ. Ранее также сообщалось, что закаливание засухой предотвращает холодовые повреждения у теплолюбивых растений (30). Более высокая устойчивость растений к низкой температуре в варианте сочетания DROP-воздействий с «засухой», по-видимому, связана с их лучшей способностью регулировать устьичную проводимость в условиях стресса.

Итак, полученные нами данные свидетельствуют об эффективности DROP-воздействий для торможения линейного роста растений с одновременным повышением отношения площади листьев и биомассы растения к его высоте в условиях высокой ОВВ, то есть DROP делает растения более компактными. В условиях низкой ОВВ эти эффекты нивелируются. Режим полива, при котором создаются условия «периодической засухи», хотя и приводит к уменьшению размеров растений, но снижает отношение площади листьев и биомассы растения к его высоте. Следовательно, можно заключить, что DROP-воздействия как агроприем эффективнее «периодической засухи» и могут применяться для управления ростом и получения более компактных растений в качестве альтернативы ретардантам. Сочетание DROP-воздействий с «периодической засухой» также позволяет получать более компактные растения, при этом повышается их устойчивость к водному стрессу, индуцированному низкой температурой. Однако по ряду параметров (число листьев, компактность растений в условиях низкой ОВВ) при сочетании DROP-воздействий и «засухи» результат хуже, чем при применении только первого из этих двух приемов.