Сравнительная оценка посевных качеств семян гуара Cyamopsis tetragonoloba (L.) Taub., выращенного на поливе и в режиме искусственной засухи в Нижнем Поволжье

Тенденция изменения климата в сторону увеличения частоты и интенсивности засух очевидна. Прогнозы и климатические модели указывают на то, что глобальное потепление способствует уменьшению количества осадков и аридизации климата, что влечет за собой длительные засухи во многих регионах мира (1-3). Это представляет серьезные риски для сельского хозяйства в ряде южных областей России, в частности в Южном федеральном округе и Нижнем Поволжье, где засухи случаются довольно часто, обычно раз в несколько лет, и прогнозы предполагают возможное увеличение их частоты и продолжительности. Так, в Волгоградской области засухи возникают в среднем каждые 2-3 года. Именно на эти территории в силу температурных потребностей интродуцирована стратегически важная для Российской Федерации зернобобовая культура гуар (4).

Гуар Cyamopsis tetragonoloba (L.) Taub . (сем. Fabaceae) — ценное зернобобовое растение, в семенах которого содержится камедь (полисахарид галактоманнан), нашедшая применение во многих отраслях промышленности. Мировые лидеры по производству гуара — Индия и Пакистан. Россия — второй крупнейший импортер гуаровой камеди после США. Основные экспортеры гуаровой камеди для России — Индия и Китай (5).

Попытки наладить промышленное выращивание этой тропической культуры в нашей стране требуют досконального знания биологии растения, чтобы адресно интродуцировать определенные генотипы в соответствующие агроклиматические регионы. Особенно это касается отношения к засухе, поскольку однозначной оценки степени засухоустойчивости гуара нет.

В мировой литературе имеются сведения о наличии в генофонде гуара засухоустойчивых генотипов (6-10). Наши исследования выявили в коллекции ВИР контрастные по отношению к засухе образцы, а также промежуточные формы, нейтральные по отношению к водоснабжению (11, 12).

Водный дефицит считается важнейшей причиной снижения урожайности зернобобовых во всем мире. Это касается даже такой засухоустойчивой культуры, как нут, и сравнительно засухоустойчивой чечевицы (13, 14). Однако потеря урожая не единственное негативное последствие засухи. В зависимости от силы воздействия стрессора изменяется качество семян, в частности их питательная ценность (15). Страдают и посевные качества получаемых при засухе семян. За счет уменьшения размеров и массы снижаются их питательный резерв, всхожесть и энергия прорастания, наблюдается неравномерное прорастание и т.д. (16, 17).

В настоящей работе впервые проанализировано влияние засухи на посевные качества семян гуара.

Цель работы — изучение посевных качеств семян гуара свежей репродукции и семян с имитацией длительного хранения (подвергнутых ускоренному старению), при этом особое внимание уделялось влиянию засухи на посевные качества семян образцов, по-разному реагирующих на водоснабжение культуры (толерантных, восприимчивых и индифферентно относящихся к засухе).

Методика. Материалом служили 12 образцов гуара из коллекции ВИР, выращенные в 2023 году на Волгоградской ОС ВИР в условиях полива и искусственной засухи, создаваемой посредством прекращения полива на стадии формирования последнего боба в первой кисти (в конце июня). Подробно методика применения искусственной засухи в полевых условиях описана ранее (11, 12). В этом полевом эксперименте в изучаемой выборке выявили дифференциацию образцов на три группы по отношению к водоснабжению: толерантные и чувствительные к засухе и нейтральные по отношению к влагообеспечению. В настоящий лабораторный эксперимент были включены по 4 образца из каждой группы нашей классификации. Анализировали по 200 семян каждого образца гуара.

Для ускоренного старения семян их размещали на сетке в эксикаторе над насыщенным раствором хлористого натрия (75 % относительная влажность воздуха) и инкубировали в термостате при температуре 40 ° С (18). Провели два опыта: в первом инкубацию в термостате проводили в течение 5 сут, во втором — в течение 10 сут. Использованная методика ускоренного старения семян включала их выравнивание по влагосодержанию до и после состаривания, что позволяло получить более стабильные результаты. Выравнивания семян по влагосодержанию достигали, размещая их в эксикаторе на сетке над насыщенным раствором хлористого кальция (35 % относительная влажность воздуха) в термостате при 20 ° С в течение 5 сут.

Параметры, по которым анализировали посевные качества семян у 12 образцов гуара из коллекции ВИР обозначили следующим образом: возраст семян (семена урожая 2023 года, полученные на Волгоградской ОС ВИР, хранившиеся при комнатной температуре в бумажном пакете в течение 1 года; семена с имитацией хранения — ускоренно состаренные в течение 5 сут; семена с имитацией более длительного хранения — ускоренно состаренные в течение 10 сут), режим выращивания (семена, выращенные на поливе и в режиме искусственной засухи на Волгоградской опытной станции ВИР в 2023 году), статус отношения к засухе (семена, полученные от растений трех групп, охарактеризованных в условиях г. Волгограда как толерантные, чувствительные к засухе и нейтральные по отношению к вла-гообеспечению).

Всхожесть семян гуара до и после ускоренного старения анализировали при проращивании в рулонах фильтровальной бумаги в термостате в темноте при 30 ° С днем и 20 ° С ночью (19). Срок для определения энергии прорастания и всхожести семян гуара устанавливали по ГОСТ 12038-84 (20). Энергию прорастания подсчитывали на 3-и сут. Проросшими считали семена, давшие нормальные проростки с развитым зародышевым корешком размером более длины семени и сформировавшимся ростком. Для оценки всхожести на 7-е сут подсчитывали общее число нормально проросших семян. Для анализа использовали 2 пробы по 50 семян. Энергию прорастания и всхожесть семян выражали в процентах. Твердые, загнившие семена и семена с аномальными проростками подсчитывали отдельно. В тех случаях, когда за время определения всхожести семена только наклевывались, их оставляли в условиях проращивания для дополнительной проверки на 3-и сут; если они давали нормальные проростки, то их прибавляли к числу проросших. Доля твердых и ненормальных проростков была незначительной, поэтому их в расчет не брали.

Для всех расчетов и создания графиков использовали программу STATISTICA v.10 («StatSoft, Inc.», США). Вычисляли средние значения ( M) и стандартные ошибки средних (±SEM). Величину p < 0,05 определяли допустимой границей статистической значимости, поскольку этот уровень включает вероятность ошибки 5 %.

Результаты. Образцы, изученные в эксперимент, приведены в таблице 1.

Исходная влажность семян в начале эксперимента в среднем составляла 10 %, после выравнивания влажности семян перед проведением их ускоренного старения — 9,5 %. В процессе ускоренного старения влажность семян повышалась до 12,5 %. Выравнивание влажности после ускоренного старения семян привело к ее снижению до 10,1 %.

• 1.    Образцы гуара Cyamopsis tetragonoloba (L.) Taub . из коллекции ВИР, исследуемые по посевным качествам

• 2.    Энергия прорастания (ЭП) и всхожесть (В) семян репродукции 2023 года после ускоренного старения у образцов гуара Cyamopsis tetragonoloba (L.) Taub . с разным отношением к засухе (коллекция ВИР, M ±SEM, лабораторный опыт)

  Отношение растений к засухе	Свежая репродукция	Ускоренное старение
  		в течение 5 сут		в течение	10 сут
  	ЭП, %  1 В, %	ЭП, %	В, %	ЭП, % 1	В, %

по каталогу ВИР, к 31      Название образца    I Происхождение ] Селекционный статус

Толерантные к засухе

52877	Cluster Beans Long Kothu Avarai	Индия	Местный сорт
52910	P.L.G.850	Индия	Местный сорт
52937	P.L.G.422	Индия	Местный сорт
52938	J.C. 3118 Чувствительные к	Индия засухе	Сорт научной селекции
52904	J.C.8926	Индия	Сорт научной селекции
52918	Local	Индия	Местный сорт
52924	Local	Индия	Местный сорт
52926	Local Нейтральные по отношению	Индия    Местный сорт к водоснабжению
52854	Local	Индия	Местный сорт
52891	‘Suvti’ var. 43	Индия	Сорт
52931	Cluster Beans	Индия	Местный сорт
52932	Local	Пакистан	Местный сорт

При проращивании семян всех трех условных возрастов, полученных от растений, выращенных как в условиях полива, так и при засухе, наблюдалась изменчивость признаков «всхожесть семян» и «энергия прорастания». Так, исходные семена репродукции 2023 года от растений, выращенных при поливе, независимо от отношения к засухе, имели всхожесть от 43 до 100 %, выращенных в условиях засухи — от 40 до 99 %. После старения семян в течение 5 сут эти показатели варьировали от 36 до 100 % (полив) и от 35 до 100 % (засуха); при старении в течение 10 сут — соответственно от 24 до 93 % и от 18 до 96 % (табл. 2).

Семена с р астений, выращенных				при поливе
Нейтральные к режиму водоснабжения	49,50±7,51	76,60±7,99	70,50±9,39	74,50±8,92	30,50±5,78	53,25±8,89
Толерантные к засухе	51,25±4,46	92,50±1,92	82,75±3,38	89,50±2,85	37,50±8,29	76,00±3,76
Чувствительные к засухе	50,50±7,36	78,25±7,31	65,75±8,27	71,50±7,37	41,25±8,06	74,25±9,29
Семена с растений, выращенных				при засухе
Нейтральные к режиму водоснабжения	41,75±10,61	70,50±8,02	67,50±8,89	77,00±9,89	53,14±12,89	71,71±9,75
Толерантные к засухе	56,25±7,24	86,00±5,15	72,00±11,95	82,50±7,39	51,00±9,83	80,75±9,26
Чувствительные к засухе	50,75±5,17	79,00±4,39	65,00±4,63	75,75±4,56	32,50±10,69	57,75±9,62

Примечание. Всего изучено 12 образцов ( n = 12), по 50 семян для расчета каждого показателя.

Интересно отметить, что самой высокой энергией прорастания обладали семена с растений, выращенных как при поливе, так и на фоне засухи, состаренные в течение 5 сут. Наибольшие средние значения энергии прорастания были у группы толерантных к засухе образцов (82,75 и 72,00 % соответственно в вариантах с поливом и засухой). При более длительном состаривании (10 сут) мы зафиксировали низкие показатели энергии прорастания у семян с растений из всех групп, выращенных при поливе (от 30,50 до 41,25 %), а у семян с растений, выращенных при засухе, самая низкая энергия была отмечена в группе чувствительных к засухе образцов (32,50 %) (см. табл. 2, рис. 1).

Всхожесть семян имела тенденцию к уменьшению от свежей репродукции к наиболее сильному их старению. При выращивании растений в условиях полива и засухи самые высокие показатели всхожести полученных с них семян, не подвергшихся ускоренному старению, наблюдались у группы толерантных к засухе образцов (соответственно 92,50 % и 86,00 %). Самые низкие значения всхожести были зафиксированы у состаренных в течение 10 сут образцов: при поливе — у нейтральных к режиму водоснабжения образцов (53,25 %), в условиях засухи — у чувствительных к засухе образцов (57,75 %). Безусловным фактом стало то, что всхожесть семян всех возрастов была максимальной у группы толерантных к засухе образцов при обоих режимах выращивания (см. табл. 2, рис. 2).

Рис. 1. Графики средних значений энергии прорастания семян (репродукция 2023 года), подвергнутых и не подвергнутых ускоренному старению, у нейтральных к режиму водоснабжения (синий график) , толерантных (красный график) и чувствительных (зеленый график) к засухе образцов гуара Cyamopsis tetragonoloba (L.) Taub ., выращенных при поливе (А) и засухе (Б) : 1 — семена урожая 2023 года, полученные на Волгоградской ОС ВИР, хранившиеся при комнатной температуре в бумажном пакете в течение 1 года; 2 — семена с имитацией хранения, ускоренно состаренные в течение 5 сут; 3 — семена с имитацией более длительного хранения, ускоренно состаренные в течение 10 сут (коллекция ВИР, M ±SEM, лабораторный опыт). Всего изучено 12 образцов ( n = 12), по 50 семян для расчета каждого показателя.

Рис. 2. Графики средних значений всхожести семян (репродукция 2023 года), подвергнутых и не подвергнутых ускоренному старению, у нейтральных к режиму водоснабжения (синий график), толерантных (красный график) и чувствительных (зеленый график) к засухе образцов гуара Cyamopsis tetragonoloba (L.) Taub., выращенных при поливе (А) и засухе (Б): 1 — семена урожая 2023 года, полученные на Волгоградской ОС ВИР, хранившиеся при комнатной температуре в бумажном пакете в течение 1 года; 2 — семена с имитацией хранения, ускоренно состаренные в течение 5 сут; 3 — семена с имитацией более длительного хранения, ускоренно состаренные в течение 10 сут (коллекция ВИР, M±SEM, лабораторный опыт). Всего изучено 12 образцов (n = 12), по 50 семян для расчета каждого показателя.

Для оценки влияния анализируемых факторов на результативные признаки всхожести семян мы провели многофакторный дисперсионный анализ — комплексную оценку сравниваемых средних значений признаков с расчетом показателей варьирования, в частности дисперсии, их отношения F , а также уровня значимости (табл. 3).

Как показал многофакторный дисперсионный анализ, на изменчивость энергии произрастания и всхожести семян существенно влиял признак «возраст семян» — состояние семян (соответственно р = 0,000 и р = 0,020). Также установлено, что на изменчивость всхожести семян достоверно влиял статус образцов по отношению к засухе (р = 0,003).

3. Результаты многофакторного дисперсионного анализа ANOVA показателей всхожести семян у образцов гуара Cyamopsis tetragonoloba (L.) Taub . из коллекции ВИР по анализируемым параметрам

Показатель	]                 Параметр	1 df	и MS 1	F	1 p
Энергия про-	Отношение к засухе	2	778,18	1,41	0,249
растания	Режим выращивания	1	47,63	0,09	0,770
	Возраст семян*	2	10956,59	19,79	0,000
	Отношение к засухе ½ Режим выращивания	2	166,26	0,30	0,741
	Отношение к засухе ½ Возраст семян	4	158,72	0,29	0,886
	Режим выращивания ½ Возраст семян	2	611,63	1,10	0,335
	Отношение к засухе ½ Режим выращивания ½ Воз раст семян	-4	567,86	1,03	0,397
	Ошибка	125	553,74
Всхожесть	Отношение к засухе*	2	2715,13	6,21	0,003
	Режим выращивания	1	10,10	0,02	0,879
	Возраст семян*	2	1768,73	4,05	0,020
	Отношение к засухе ½ Режим выращивания	2	289,00	0,66	0,518
	Отношение к засухе ½ Возраст семян	4	71,96	0,16	0,956
	Режим выращивания ½ Возраст семян	2	108,30	0,25	0,781
	Отношение к засухе ½ Режим выращивания ½ Воз раст семян	-4	570,42	1,31	0,272
	Ошибка	125	436,96
Примечание. df — число степеней свободы, MS — средний квадрат отклонений, F				дисперсионное
отношение, p	' — уровень значимости. * — отмечены параметры,	имеющие существенное влияние на пока-
затель (р < 0,	05). Семена репродукции 2023 года, г. Волгоград.

Таким образом, во всех вариантах опыта самой высокой всхожестью обладали образцы, толерантные к засухе. Энергия прорастания семян также была самой высокой у группы толерантных к засухе образцов свежей репродукции и после 5 сут ускоренного старения. После состаривания семян в течение 10 сут происходили некоторые изменения: максимальной энергией прорастания обладали семена чувствительных к засухе образцов, сформировавшиеся при поливе, ненамного превосходя толерантные (соответственно 41,25 и 37,50 %), а выросшие в режиме засухи нейтральные к водоснабжению образцы сохранили наибольшую энергию прорастания, также незначительно превосходя толерантные к засухе (53,14 и 51,00 %).

Самые низкие показатели энергии прорастания и всхожести имели состаренные в течение 10 сут семена всех групп растений, выращенных при поливе. Эти семена с имитацией длительного хранения обнаружили интересные, вполне логичные закономерности: чувствительные к засухе образцы показали низкие энергию прорастания и всхожесть семян, если были выращены на фоне засухи (см. табл. 2). У толерантных к засухе образцов, напротив, эти показатели при поливе были ниже, чем при засухе. По-видимому, условия полива оказались для них субоптимальными. У нейтральных к засухе образцов оба показателя оказались выше при выращивании на фоне 880

засухе.

Работ, посвященных жизнеспособности семян гуара, практически нет в мировой литературе. Наиболее детальное исследование проведено на семенах коллекции ВИР, хранившихся 40 лет при +4,5 ° С в Кубанском хранилище. Они имели высокие посевные качества, демонстрируя лабораторную всхожесть 92-94 % (21). Семена образцов, хранившиеся при комнатной температуре в течение 30 лет после репродукции в Узбекистане, обнаружили 50 % лабораторную всхожесть (19). В Индии в штате Харьяна изучали полевую всхожесть восьми сортов гуара после хранения их в течение 7, 19 и 31 мес в комнатных условиях в тканевых мешках. Через 7 мес после уборки полевая всхожесть составляла от 65 до 90 %, через 19 мес — в среднем 25,96 %, а через 31 мес хранения всхожесть была близка к нулевой и только один сорт имел всхожесть 14,33 %. Сделаны выводы о пригодности к посеву только семян предшествующего года репродукции и о необходимости поиска оптимальных способов хранения семян гуара (22).

Посевные качества семян, в частности всхожесть и энергия прорастания, приобретаются в процессе их развития на материнском растении (23). В благоприятных условиях семена достигают физиологической спелости и должны обладать хорошими посевными качествами.

Принято считать, что у семян, собранных с растений, подвергшихся стрессору засухи, снижается всхожесть. Это явление может быть обусловлено целым рядом физиологических причин: условия засухи могут препятствовать полному развитию семян, что сказывается на их жизнеспособности; недостаток воды приводит к нарушению обменных процессов, включая синтез белков и ферментов, необходимых для прорастания; увеличение концентрации реактивных форм кислорода и снижение содержания антиоксидантов приводят к повреждению клеток, в частности их мембраны; недостаток воды влиет на накопление важных веществ, таких как полисахариды и липиды (24-26).

Однако в зависимости от времени и степени воздействия стрессора и генетической конституции растения эти последствия могут быть неоднозначными. К примеру, засуха не оказала влияния на прорастание семян сои, мало повлияла на их жизнеспособность, не снизила окончательную всхожесть или силу роста. Хотя более сильное воздействие засухи существенно снизило массу семян и урожайность (соответственно 34 и 38 %), стрессор практически не повлиял на качество семян (27). В другом исследовании для сои продемонстрированы различия в посевных качествах семян в зависимости от их гетерогенности (крупные, средние и мелкие), появившейся в результате разной силы воздействия стрессора. Стресс от засухи снизил всхожесть семян средних размеров по сравнению с семенами, полученными при поливе, но не изменил стандартную всхожесть крупных семян (28).

Наше исследование также показало неоднозначность воздействия засухи на посевные качества разных генотипов гуара. Для поисков закономерностей в проявлении изучаемых признаков мы использовали ускоренное старение семян. Этот метод вошел в практику семеноведения достаточно давно (29), но его успешно продолжают применять и модифицировать (30). Он позволяет не только моделировать условия неблагоприятного хранения посевного материала и оценивать перспективы длительного хранения конкретной партии семян, но и производить быструю и эффективную оценку силы роста семян в лабораторных условиях (18, 31). В результате ускоренного старения семян происходит их качественное ухудшение, проявляющееся в разной степени у разных генотипов (32). При этом семена хорошего качества лучше переносят экстремальные условия и повреждаются медленнее, чем семена плохого качества (18, 31, 33). Исходя из этих положений, мы с определенной степенью условности считали ускоренное старение в течение 5 сут адекватным определенному периоду хранения семян, а в течение 10 сут — более длительному периоду их хранения.

Всхожесть семян свежей репродукции (исходных) у всех групп растений гуара, выращенных как на фоне засухи, так и при поливе, была сравнительно высокой и варьировала в среднем от 76,60 до 92,5 %. Однако энергия прорастания оказалась сравнительно низкой — от 49,50 до 56,75 %.

Энергия прорастания, как известно, характеризует способность семян давать в полевых условиях дружные и ровные всходы, обеспечивая вы-ровненность посевов. В нашем опыте при ускоренном старении в течение 5 сут энергия прорастания значительно возросла. Это явление встречается не так уж редко, и его можно объяснить, скорее всего, стимулирующим воздействием повышенной температуры на ранних этапах ускоренного старения (34). Показатели всхожести в этом варианте искусственного старения снизились незначительно, а в группе нейтральных образцов на фоне засухе даже повысились. Самое явное ухудшение качества семян было зафиксировано после ускоренного старения в течение 10 сут у группы чувствительных к засухе образцов по сравнению с толерантными, что подтверждает постулат о более быстром повреждении семян худшего качества при ускоренном старении. Субоптимальные для роста и развития растений условия засухи на поздних стадиях формирования семян у чувствительных к ней генотипов, по-видимому, ускоряют разрушение клеточных компонентов по сравнению с таковым у устойчивых генотипов (35), что сказывается на жизнеспособности семян.

Несколько противоречивые результаты в нашем исследовании показали образцы, классифицированные как нейтральные к режиму водоснабжения. Очевидно, одни из них были более близки к чувствительным к засухе образцам, другие — к толерантным к ней.

Необходимо отметить, что у ряда образцов в нашем опыте исходно зафиксированы низкие показатели всхожести. Например, у сорта Suvti (к52891, Индия) семена свежей репродукции с растений, выращенных при поливе, показали всего 43 %, а с растений, выращенные на фоне засухи, — 40 % всхожести. Схожие результаты получены и при ускоренном старении этих семян в течение 5 сут (36 % при поливе и 35 % в условиях засухи). Мы объясняем это тем, что образец не имел достаточного времени для созревания в условиях г. Волгограда. В силу объективных обстоятельств уборка всех образцов происходила одновременно, независимо от продолжительности необходимого им вегетационного периода. В 2023 году уборку всех образцов проводили после 120 сут вегетации. Судя по числу невызревших бобов, многие образцы ее не закончили.

Наличие вызревших и несозревших бобов на растении во время уборки характерно для многих зернобобовых культур, например, сои, гороха, бобов конских, арахиса. У гуара бобы созревают акропетально, и к моменту, когда в нижней части растения сформированы зрелые бобы, готовые к вскрыванию, в верхней присутствуют совсем молодые, недавно завязавшиеся. Особенно это характерно для поздно созревающих генотипов, продолжительность вегетационного периода которых в условиях нашего эксперимента нам не удалось определить. О позднеспелости образца мы можем судить косвенно, по числу узлов с невызревшими бобами. Обсуждаемый нами сорт Suvti при поливе имел 31 узел с созревшими и 39 узлов с невызревшими бобами. Это свидетельствует, во-первых, о реализованном 882

менее чем наполовину потенциале продуктивности, и, во-вторых, вполне вероятно, что не все убранные семена даже в визуально созревших бобах смогли дойти до окончательной спелости. Это типично для многих бобовых культур. У арахиса при сборе урожая обнаруживается до 30 % незрелых семян (36).

Итак, генетическая предрасположенность к засухе (толерантных к засухе образцов) сыграла ключевую роль в сохранении посевных качеств семян при выращивании растений в условиях засухи. Сравнительный анализ посевных качеств семян, собранных с растений гуара, выращенных в условиях систематического полива и искусственной засухи в полевых условиях Волгоградской области, выявил гетерогенность образцов по анализируемым признакам и показал, что режим выращивания существенно влиял на лабораторную всхожесть семян. Изучение образцов с разным отношением к засухе (толерантных, чувствительных и с промежуточных значением признака) с применением метода ускоренного старения в сравнении с семенами, не подвергнутыми этому процессу, показало, что на изменчивость энергии прорастания и всхожести семян существенно влияет параметр, условно названный нами «возрастом семян» (соответственно р = 0,000 и р = 0,020), а на изменчивость показателей всхожести семян достоверное влияние имел статус образцов по отношению к засухе (р = 0,003). Максимальную всхожесть показали семена толерантных к засухе образцов, выращенных как при поливе, так и на фоне засухе, подвергнутые и не подвергнутые ускоренному старению. Это свидетельствует о способности толерантных генотипов адаптироваться к стрессовым условиям посредством мобилизации механизмов защиты от засухи, которые позволяют оптимизировать использование ресурсов и направлять их для формирования качественных семян. Есть основания предположить, что традиционная селекция засухоустойчивых сортов и/или создание их за счет модификации генома могут стать эффективной методологией получения качественных семян гуара при его выращивании в неблагоприятных условиях засухи.

1 ФГБНУ ФИЦ Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. НИ. Вавилова,