Технологические и биологические предпосылки разработки инновационной технологии получения миниклубней картофеля

Введение. Картофель – вегетативно размножаемая культура, которая в процессе выращивания в ряду поколений поражается вирусными, бактериальными и грибными болезнями, что приводит к снижению урожая и ухудшении показателей качества получаемой продукции. Соответствующий требованиям стандартов семенной материал – самый важный в ряду факторов интенсификации воспроизводства картофеля.

Более 3/4 потребности Российской Федерации в семенном картофеле класса «элита» удовлетворяется за счет ежегодного импорта (Нидерланды, Финляндия и др.), что естественно, приводит к расширению посадок сортов иностранной селекции. В целях ликвидации критического уровня зависимости от импортных семян картофеля, необходимо наладить собственное семеноводство, параллельно решая задачу импортозамещения иностранных сортов и расширения посадок сортов отечественной селекции [1, 2].

В соответствии с принятой в настоящее время схемой семеноводства картофеля, семенной материал класса «элита» получают на пятый год. В настоящее время основным исходным материалом для семеноводства служат исходные микрорастения в культуре in vitro, которые получают в специализированных лабораториях на базе научно-исследовательских учреждений, где проводится регулярное освобождение материала от болезней и подтверждение сортовой типичности. Дальнейшая работа проводится в несколько этапов, составляющих схему производства семенного материала картофеля:

• 1.    Получение миниклубней на основе микрорастений (питомник выращивания миниклубней из микрорастений);

• 2.    Получение суперсуперэлиты из миниклубней;

• 3.    Получение суперэлиты из суперсуперэлиты;

• 4.    Получение элиты из суперэлиты.

Последующие 2 года последовательно получают 1 и 2 полевую репродукцию после элиты. Репродуцирование после 2 репродукции для получения товарной продукции рекомендуется использовать только в виде исключения [3].

Самая сложная и затратная часть схемы – оригинальное семеноводство. Значение этого этапа существенно выросло с введением нового межгосударственного стандарта ГОСТ 33996-2016 «Картофель семенной. Технические условия и методы определения качества», который предусматривает, наряду с визуальной, и инструментальную приемку посадок элиты, что накладывает серьезную ответственность на семеноводческие хозяйства в плане фактического обеспечения качества.

В такой ситуации особую актуальность приобретают, схемы семеноводства, укороченные на 1 и даже 2 года. Учитывая, что коэффициент размножения в полевых семеноводческих питомниках составляет максимум 7-8, существенно увеличить объем производства при укороченной схеме целесообразно за счет увеличения масштабов производства миниклубней [4].

Традиционный способ выращивания миниклубней: высадку микрорастений проводят в кассеты для выращивания рассады, заполненные грунтом. После подращивания рассады в течение 10-15 дней, ее высаживают на постоянное место. Посадку в поле без укрытий не практикуют вследствие неблагоприятных фитосанитарных условий и эпифитотий Y-вируса картофеля. Чаще посадку проводят в пленочно-марлевых теплицах, разборно-переносных укрытиях. Высадка возможна как непосредственно в грунт на гряды либо в гончарные или пластмассовые горшки. В качестве субстратов в большинстве случаев технологии базируются на традиционном использовании торфо-минеральных смесей. Дальнейшие мероприятия по выращиванию сводятся к поливам, прополкам и рыхлению. Уборка - единовременная, в зависимости от сорта можно получить до 5-7 клубней массой от 5 до 100 г. Традиционная технология обеспечивает получение миниклубней любых сортов, но является экстенсивной и не обеспечивает получения высокого коэффициента размножения. Качество материала страдает нередко из-за недостаточного соблюдения фитосанитарных требований, попыток экономии на грунтах путем их многократного использования без надлежащей дезинфекции. У семеноводов-практиков сложилось ложное убеждение что во всех проблемах повинен именно грунт (субстрат), на счет которого удобно относить все недоработки на других этапах семеноводческого процесса: несоблюдение регламента работ в процессе оздоровления, недостаточная профилактика распространения насекомых-переносчиков инфекции исходного материала и попытки ложной экономии на регулярной дезинфекции субстратов.

Анализ биологических особенностей картофельного растения позволил сделать важное наблюдение. Оказалось, что, если у картофеля с момента начала клубнеобразования полностью удалить все завязавшиеся клубни, растение продолжает формирование новых столонов, на которых образуются клубни. При этом ботва продолжает оставаться зеленой без признаков увядания, растение продолжает цвести и не проявляет признаков старения и отмирания. Такие сборы можно проводить в течение продолжительного периода [5] - [7].

У этого явления есть физиологическое объяснение. В процессе роста растения под влиянием комплекса разнородных факторов формируются фитогормоны, вызывающие образование столонов (подземных побегов) и формирования на их концах клубней. Завязавшиеся молодые клубни тоже обладают фитогормональной активностью и дают сигнал надземной части растения о своем формировании. В результате такого разновекторного взаимодействия, после достижения обычного для данного сорта количества клубней на куст, надземная часть растения перестает давать сигнал о необходимости формирования новых клубней, начинается процесс увеличения массы клубней, сопровождающийся оттоком ассимилятов из надземной части растения, ее старения и последующего отмирания [8].

Из выше приведенных рассуждений вытекает важный вывод: если своевременно собирать вновь образовавшиеся клубни, это приведет к формированию новых столонов и завязыванию новых клубней, сам период сбора миниклубней можно увеличить - от 1-2 до

5-6 месяцев, повысив общий сбор в расчете на одно растение в несколько раз. Размером собираемых клубней можно при этом варьировать в широких пределах в зависимости от целей дальнейшего использования.

Техническая реализация такого способа получения миниклубней возможна на водных растворах или на твердых субстратах. По понятным причинам основное внимание исследователей и практиков было сконцентрировано на разработке технологий бессубстратного выращивания на питательном водном растворе с периодическим затоплением подземной части растений – гидропонная и аэрогидропонная технологии. У истоков технологии были авторитетные научные организации – Институт медикобиологических проблем, ВНИИ сельскохозяйственной биотехнологии, Институт имени И.В. Курчатова, ООО «Дока - Генные Технологии».

Однако у таких способов выращивания миниклубней в процессе их реализации выявились серьезные проблемы:

• 1)    Высокие цены на оборудование и длительные сроки его окупаемости.

• 2)    Эксплуатация установок требует 100% надежность систем и агрегатов, в случае аварии - гибель растений происходит в течение нескольких часов.

• 3)    Высокие затраты электроэнергии в процессе производства. На производство 1 миниклубня затрачивается около 2 кВт-час электроэнергии.

По мере приближения цен на электроэнергию в Российской Федерации к уровню мировых, интерес к подобным технологиям стремительно снижается, поскольку для производственников критична себестоимость на уровне 0,30 евро за миниклубень. Однако в условиях, когда рост требований к качеству посадочного материала и переходу на инструментальные методы его контроля, может сделать подобные затраты необходимыми, то производителям картофеля придется принять эти затраты как неизбежные, заложив эти издержки в конечную цену семян элиты.

• 4)    Установки предъявляют очень строгие требования к качеству и бесперебойности энергоснабжения, требуется наличие в обязательном порядке резервных электрогенераторов.

• 5)    Случаи стремительного распространения инфекции на установках такого типа оказались нередкими, требуется очень тщательная работа по подготовке и диагностике микрорастений для высадки на установках. Наличие единичного зараженного растения в течение нескольких дней может привести к полному заражению всех растений на установке через питательный раствор.

• 6)    Обязательным является наличие сложной и дорогой системы водоочистки и водоподготовки, регулярная очистка труб и оборудования от осадков солей.

• 7)    В процессе выращивания необходим постоянный контроль уровня кислотности (рН) раствора и концентрации элементов питания, оперативная их корректировка, борьба с водными водорослями, необходимо регулярно полностью менять раствор.

• 8)    Самое главное – не подтвердились надежды на то, что в бессубстратной культуре можно успешно размножать все сорта без ограничений. На самом деле - коммерчески значимые результаты получены по очень ограниченному набору сортов. Не до конца понятна причина такого явления, хотя можно предположить, что выращивание без субстрата для картофельного растения является большим стрессом. Требуется подбор специальных приемов выращивания или даже разработка специфической сортовой агротехники в каждом отдельном случае. Как следствие - заявленные разработчиками параметры по количественному выходу миниклубней оказались недостижимы.

Вопросы совершенствования аэропонных технологий разрабатываются в Международном центре по картофелю (МЦК) в Перу, в Южной Корее, в Китайской Народной Республике [9] ‒ [11]. Но в основном это регионы с тропическим и субтропическим климатом, где в периоды года с относительно невысокой температурой воздуха уровень естественного освещения достаточно высок, что позволяет обойтись без затрат на досвечивание растений, что снижает себестоимость получаемых миниклубней.

Организаций и фирм, занимающиеся выращиванием семеннного картофеля с применением аэропонных установок критически мало. Многие семеноводческие структуры в России и за рубежом продолжают выращивать миниклубни по традиционной технологии. Практически большинство семеноводческих хозяйств используют разные вариации традиционной технологии производства миниклубней картофеля, тем не менее, делаются попытки освоения и использования перспективных технологий.

Существует потребность производства на устройства и технологию, сочетающую субстратное получение миниклубней, являющееся универсальным и предпочтительным в силу биологических особенностей картофеля, и на порядок более высокий уровень выхода миниклубней.

Для инновационной технологии получения оздоровленных миниклубней критическим моментом является обоснованный выбор (составление) необходимого субстрата и его компонентов, в котором будет проводиться выращивание.

В овощеводстве существует богатый опыт выбора и составления самых разнообразных субстратов для широкого спектра культур в защищенном грунте [12]. В качестве компонентов используются различные компоненты: торф, перлит, вермикулит, минеральная вата, керамзит, цеолиты [13].

В Республике Беларусь разработаны искусственные субстраты на основе смеси искусственных катионитов и анионитов (под торговыми марками «Биона» и «Триона», которые насыщают методом ионообмена необходимыми элементами питания. Однако стоимость таких субстратов высока и составляет 20-30 евро/кг., что является препятствием для широкого применения.

Реальную перспективу для широкого применения в картофелеводстве имеют субстраты одноразового использования на основе природного торфа с подбором минерального компонента и его доли в смеси.

Наиболее пригодным органическим компонентом для составления субстратов является низинный проветренный торф.

Торф низинного типа формируется в условиях богатого грунтового или речного минерального питания. Минерализация воды здесь превышает 200 мг/л. Реакция среды нейтральная или слабокислая (рН = 5,5-7,0).

Торф в естественном залегании содержит 86-93% воды и всего 7-14% сухих веществ. При заготовке его подсушивают до влажности 55-65%. Одновременно он проветривается, и из него исчезают токсичные для растений соединения. Торф - хороший антисептик благодаря содержанию в нем фенольных соединений и органических кислот. Он имеет высокую емкость поглощения и буферность. Эти два свойства являются главными и определяющими при использовании его в качестве субстрата или компонента субстратной смеси для выращивания семенного картофеля.

С целью получения оптимального механического состава субстрата, была проведена серия экспериментов по подбору оптимального минерального компонента и определения соотношения компонентов. Изучали смеси двухкомпонентные торфа с вермикулитом, перлитом и цеолитом. Компоненты брали по объему 80% торф + 20% минеральный компонент, высаживали микрорастения картофеля, сбор миниклубней массой 10 г. проводили по мере нарастания. В таблице 1 приведены результаты испытания субстратов на основе торфа: наилучший результат показал вариант с использованием цеолита.

Таблица 1   - Влияние минеральной составляющей двухкомпонентных субстратов на урожайность миниклубней

№ п/п	Вариант	Количество миниклубней шт./растение	% к стандарту
1	Торф (100%) -контроль	41	100,0
2	Торф (80%) + вермикулит (20%)	35	85,4
3	Торф (80%) + перлит (20%)	46	112,2
4	Торф (80%) + цеолит (20%)	65	158,5

Цеолиты — минералы из группы водных алюмосиликатов щелочных и щелочноземельных элементов вулканическо-осадочного происхождения с тетраэдрическим структурным каркасом, включающим полости (пустоты), занятые катионами и молекулами воды. Катионы и молекулы воды слабо связаны с каркасом и могут быть частично или полностью замещены (удалены) путем ионного обмена и дегидратации (обезвоживания), причем обратимо, без разрушения каркаса цеолита. Лишенный воды цеолит представляет собой микропористую кристаллическую «губку», объем пор в которой составляет до 50% объема каркаса цеолита.

Ионообменные свойства цеолитов определяются особенностями химического сродства ионов с кристаллической структурой цеолита, емкость поглощения составляет до 5 мг-экв на 1 г. массы, что значительно выше емкости поглощения катионов дерновоподзолистой почвой сероземами (0,15 мг-экв/г), серой лесной почвой (0,20 мг-экв/г), выщелоченными и мощными черноземами (0,5-0,65 мг-экв/г). Цеолит сохраняет влагу в почве, удерживая ее длительное время и снабжая ею растения медленно и постоянно.

Следующий опыт был заложен с целью выяснения оптимального содержания цеолита с учетом возможности его модифицирования. Учитывая, что цеолит может быть модифицирован путем погружения в 5%-ный водный раствор сбалансированного комплексного удобрения, обработанный таким образом минерал в виде компонента субстрата может удерживать ионы элементов питания и отдавать их постепенно под влиянием корневых выделений растений в субстратный раствор. Как следует из данных таблицы 2, добавление в субстрат цеолитов пропорционально увеличивает выход миниклубней с одного высаженного растения до уровня 30% содержания цеолита. Увеличение количества цеолита в субстрате до 40% практически не вызывает прироста урожайности. Аналогичная зависимость, но еще более ярко выраженная, отмечается в случае применения модифицированного цеолита. Повышение доли модифицированного цеолита выше 20% нецелесообразно, поскольку к заметному росту урожайности не ведет. Содержание модифицированного цеолита 10-20% от общего объема в торфоцеолитовом субстрате является оптимальным, дальнейшее повышение этого уровня ведет к излишнему уплотнению субстрата и ухудшает воздушно-физические свойства субстрата (удельный вес торфа - 0,60,7 т/м3, цеолита – 1,5–1,7 т/м3).

Таблица 2 - Влияние доли немодифицированного и модифицированного цеолита в торфо-цеолитовом субстрате на выход миниклубней картофеля, шт./растение

№№ п/п	Вариант	Немодифицированный цеолит	Модифицированный цеолит
1	Торф 90%  + цеолит 10%	55	80
2	Торф 80%  + цеолит 20%	64	87
3	Торф 70%  + цеолит 30%	70	90
4	Торф 60%  + цеолит 40%	72	91

Таким образом, наиболее оптимальным можно признать состав субстрата, состоящего из 80% низового торфа и 20% цеолита по объему. Предварительное модифицирование цеолита перед включением в состав субстрата способствует повышению выхода миниклубней и может существенно снизить необходимое количество подкормок минеральными удобрениями.

По воздушно-физическим свойствам полученный субстрат оказался достаточно рыхлым и влагоемким, удельный вес - 0,8-0,9 т/м3, что является благоприятным для картофеля.

Немаловажным вопросом для практического использования субстрата является его цена. Стоимость 1 м3 субстрата может составлять 3-6 тыс. руб., в зависимости от отпускной цены сырья, стоимости перевозки и стоимости работ по формированию смеси. Такого количества субстрата достаточно для 10 м2 культивационных сооружений под картофель. Невысокая стоимость субстрата позволяет использовать его однократно. Отработанный субстрат является ценным местным удобрением и утилизируется без создания дополнительной экологической нагрузки путем разбрасывания на полях севооборота под любые культуры, кроме непосредственно картофеля в год его выращивания.

Заключение.

• 1.    Решение задачи по снижению зависимости картофелеводства Российской Федерации от сортов иностранной селекции и необходимости их ежегодного завоза, требует технологий, которые могут позволить в ускоренном порядке размножить семенной материал сортов отечественной селекции.

• 2.    Традиционная технология производства миниклубней не может обеспечить ни высокого коэффициента размножения, ни качества. Аэрогидропонный способ выращивания имеет целый ряд существенных ограничений, главное из которых – для многих перспективных сортов он не позволяет добиться приемлемого результата, и конечно – очень высокая стоимость получаемого материала.

• 3.    Субстратный способ выращивания миниклубней оказался более перспективным. Он пригоден для подавляющего большинства сортов, поскольку лучше соответствует природе и потребностям картофельного растения.

• 4.    По результатам наших опытов, наилучшим оказался субстрат, состоящий из 80% низинного торфа и 20% модифицированного цеолита (по объему) при его однократном использовании.