Влияние освещения на органогенез клюквы болотной (Oxycoccus palustris Pers.) при клональном микроразмножении

К люква болотная ( Oxycoccus palustris Pers.) по праву считается одним из наиболее ценных лесных ягодных растений. Плоды клюквы содержат сахара, органические кислоты, пектиновые вещества, витамины (C, B₁, B₂, B₅, B₆, PP, K₁), бетаин и биофлавоноиды, а также макро-и микроэлементы. Ягоды клюквы используют в сыром и переработанном виде; они обладают профилактическими и лечебными свойствами, поддерживая работу сердца, повышая эластичность стенок сосудов и уровень гемоглобина. Наличие бензойной кислоты в ягодах клюквы позволяет хранить их без консервантов, благодаря бактерицидному действию их можно использовать при различных инфекционных заболеваниях. Регулярное употребление в пищу плодов клюквы повышает иммунитет, замедляет старение, способствует поддержанию полезной микрофлоры кишечника [1].

В естественных условиях клюква размножается плетями – укореняющимися вегетативными побегами. Искусственно клюкву размножают зелеными и одревесневшими черенками, но наиболее эффективным способом является клональное микроразмножение. При этом для управления морфогенезом растений in vitro используют различные химические регуляторы роста [2, 3]. Освещение разного спектрального диапазона также может оказывать влияние на развитие растений-регенерантов.

Свет является важнейшим условием для жизни растений, так как дает энергию для фотосинтеза, в ходе которого происходит образование органических соединений из неорганических. Кроме того, свет выполняет в жизни растений следующие функции: информационную, контролируя разные процессы в жизнедеятельности растений, и биосинтетическую, принимая участие в фотозависимых биохимических процессах [4]. Согласно различным исследовательским данным, спектральный состав света влияет на множество физиологических процессов в растении. Красный свет важен для развития фотосинтетического аппарата и ассимиляции крахмала – именно в этой области находятся пики поглощения хлорофиллов а и b и фитохромов [5, 6]. Синий цвет также оказывает сильное воздействие на фотосинтез, особенно на начальном этапе развития растения. При этом установлено, что на одни показатели роста и развития растений сильнее влияет относительное содержание синего света в спектре, а на другие – его абсолютное количество [7]. В некоторых опытах [8] обнаружено, что красный и синий свет поглощается хлоропластами, локализованными в поверхностных слоях листа. Зеленый свет может оказывать влияние на морфологию и физиологию растения, в том числе устьичную проводимость, формирование листьев и удлинение стебля на ранних этапах роста [9, 10].

Фотосинтез растений происходит под воздействием фотосинтетически активной радиации (ФАР) – части светового потока с длиной волн в диапазоне λ = 0,38–0,71 мкм. Наиболее интенсивно растения усваивают часть оранжево-красных (λ = 0,65–0,68 мкм) и сине-фиолетовых (λ = 0,48–0,40 мкм) лучей, незначительно – желто-зеленые (λ = 0,58–0,50 мкм) и дальние красные (λ > 0,69 мкм) лучи. В настоящее время при подборе оптимальных источников освещения для растений специалисты все больше склоняются к выбору белых светодиодов (СД), излучение которых содержит компоненты всех основных полос в диапазоне ФАР [11]. В различных исследовательских работах белые СД применяют как по отдельности [7], так и в комбинациях с узкополосными красными [12] и красно-синими СД [13].

Спектральный состав по-разному влияет на рост и побегообразование растений. Например, соотношение лучей красного и синего света 40% и 60% соответственно оказывает влияние на морфогенетические процессы, происходящие в растении. При этом область спектрального диапазона красного света довольно широка и разные участки, например дальний красный (730 нм) или красный (660 нм), отвечают за регуляцию различных физиологических процессов, что, в свою очередь, увеличивает продуктивность растений в целом [14, 15]. Поскольку в отношении культивируемых растений клюквы болотной подобного рода исследования не проводились, то работа в данном направлении представляет научный интерес, а полученные результаты имеют практическую и теоретическую ценность.

Цель работы – изучить влияние света разного спектрального диапазона на органогенез клюквы болотной в условиях in vitro.

Объекты и методика исследований

Исследования проводили в лаборатории клонального микроразмножения растений на базе Центрально-европейской лесной опытной станции ВНИИЛМ в 2019–2020 гг. по общепринятым методикам [16]. Объектами исследования были растения-регенеранты клюквы болотной Дар Костромы и гибрида 1-15-635, культивируемые на питательной среде по прописи WPM (Woody Plant Medium) [17], разбавленной в 4 раза (рисунок).

Сорт Дар Костромы отобран среди сеянцев от свободного опыления. Сорт среднего срока созревания (конец 3-й декады августа). Вегетативно-подвижный кустарничек шпалерного типа. Стебли толстые красно-коричневые и коричневые. Листья крупные широколанцетные, зеленой окраски. Генеративные побеги имеют среднюю длину около 75 мм и растут под углом около 50° к горизонтали. Ягоды крупные (12,5–16,5 мм), плоскоокруглой формы, с ребристой поверхностью и глубокой выемкой у плодоножки, темно-красные и вишневые, кислые, сочные. Мякоть зрелых ягод – плотная, перезрелых – водянистая. Средняя масса 1 ягоды – 1,52 г, максимальная – 4,98 г. Урожайность высокая – 1,6–1,9 кг/м², максимальная – 4,1 кг/м². Сохранность ягод удовлетворительная. Плоды содержат: сахара (6,6%), кислоты (2,7%), витамин C (27,0 мг/100 г). Достоинствами сорта являются высокая урожайность и крупноплодность. К недостаткам относятся формирование большей части урожая внутри заросли и неоднородность ягод [18].

Гибрид 1-15-635 – форма, выделенная из гибридной семьи $15V х ^Virussaare [19]. Материнская форма 15V отобрана из естественной популяции (клюквенное болото Южной Карелии) сотрудниками Института биологии Карельского

Растения-регенеранты клюквы болотной на питательной среде WPM 1/4:

а – сорт Дар Костромы; б – гибридная форма 1-15-635

научного центра [20, 21]. Отцовский высокоурожайный сорт Virussaare создан в Эстонии [22]. Урожайность очень высокая – до 2,3 кг/м2. Ягоды округлые, темно-красные. Средняя масса одного плода – 1,8 г, максимальная – 3,3 г. Средняя урожайность с участка сортоизучения – 1,5–2,0 кг/м2.

Для определения влияния света разного спектрального диапазона на рост и развитие микропобегов клюквы болотной растения-регенеранты размещали в штативах из пенопласта, закрывающих от света корневую систему, в условиях световой комнаты и помещали под светодиодные (СД) лампы разного спектрального состава: 1) СД-Б – белого спектра (длина волны = 653 нм); 2) СД-Б+К – с комбинацией белого (длина волны = 653 нм) и красного (длина волны = 670 нм) спектров. Контрольные растения выращивали в световой комнате с освещением белыми люминесцентными лампами (марка «OSRAM AG», производство – Германия). Фотопериод – 16 ч.

Растения подвергали постоянному освещению во всех вариантах в течение 3-х пассажей. Высоту растений и коэффициент размножения определяли после каждого пассажа. Исследования проводили в 10-кратной биологической и 2-кратной аналитической повторностях.

На этапе «собственно микроразмножение» в питательную среду добавляли регулятор роста 2-изопентиладенин (2ip) в концентрации 0,5 мг/л, при укоренении in vitro – ауксин ИМК в концентрации 0,5 мг/л. На этапе «собственно микроразмножение» учитывали количество и длину побегов, а при укоренении in vitro – количество и длину корней растений клюквы болотной. Повторность опыта – 10-кратная, в каждой по 30 растений. Статистическую обработку экспериментальных данных проводили на основе методов математической статистики при помощи программного пакета Microsoft Office 2016. Применялся дисперсионный двухфакторный анализ: фактор А – сорт, фактор В – тип освещения. Достоверность различий между средними данными вариантов опыта была оценена с помощью наименьшей существенной разности на 5%-м уровне значимости (НСР₀₅).

Результаты и обсуждение

В ходе исследований выявлено, что использование света разного спектрального диапазона оказывало существенное влияние на количество микропобегов. Так, при освещении растений-регенерантов клюквы болотной лампами СД-Б+К у сорта Дар Костромы сформировалось 14 шт. микропобегов, у гибрида 1-15-635 – 15,7 шт., что почти в 1,9 раза больше, чем при освещении лампами СД-Б, и 2 раза больше, чем в контрольном варианте (табл. 1). У гибрида 1-15-635 количество микропобегов независимо от спектрального диапазона в 1,1 раза больше, чем у сорта Дар Костромы.

Средняя длина микропобегов клюквы болотной при освещении лампами СД-Б+К была в 2,1–2,3 раза больше, чем при освещении СД-Б и в контроле соответственно (табл. 2). По средней длине микропобегов гибрид 1-15-635 в 1,1–1,2 раза превосходит сорт Дар Костромы.

Суммарная длина микропобегов клюквы болотной при освещении лампами СД-Б+К у гибрида 1-15-635 в 4,2 раза, а у Дара Костромы в 4,0 раза больше, чем при освещении СД-Б, и в 4,8 и 4,6 раза больше, чем в контрольном варианте, соответственно (табл. 3). Суммарная длина микропобегов растений клюквы гибрида 1-15-635 в 1,2–1,3 раза превышала аналогичный показатель для сорта Дар Костромы.

На этапе «укоренение in vitro » также отмечено влияние спектрального освещения наземной части растений-регенерантов клюквы болотной на биометрические показатели корневой системы. Наибольшее количество корней клюквы отмечалось при освещении лампами СД-Б+К (табл. 4). Различия по количеству корней клюквы болотной в зависимости от сорта были несущественны.

Средняя длина корней клюквы болотной при освещении надземной части лампами СД-Б+К у гибрида 1-15-635 была в 1,4 раза, а у Дара Костромы в 1,3 раза больше, чем при освещении СД-Б, и в 1,5 и 1,4 раза больше, чем в контрольном варианте, соответственно. Существенных различий по длине корней у гибрида 1-15-635 и сорта Дар Костромы не наблюдалось (табл. 5).

Суммарная длина корней клюквы болотной при освещении надземной части лампами СД-Б+К у гибрида 1-15-635 была в 3,5 и в 4,5 раза больше, чем при освещении СД-Б и в контрольном варианте соответственно, а у сорта Дар Костромы – в 2,4 и в 2,8 раза больше, чем при освещении СД-Б и в контроле соответственно (табл. 6).

В среднем у клюквы болотной гибрида 1-15635 отмечается значительно большая суммарная длина корней (163,8 см), чем у сорта Дар Костромы (131,0 см).

Выводы

Таким образом, светодиодные лампы положительно влияют на рост и развитие

Таблица 1. Количество микропобегов клюквы болотной в зависимости от сорта и спектрального диапазона освещения, шт.

Сорт	Освещение
	СД-Б	СД-Б+К	Контроль
Гибрид 1-15-635	8,5	15,7	7,8
Дар Костромы	7,5	14,0	7,0

НCР05 фактор А = 1,61, фактор В =1,31, общ. = 2,28

Таблица 2. Средняя длина микропобегов клюквы болотной в зависимости от сорта и спектрального диапазона освещения, см

Сорт	Освещение
	СД-Б	СД-Б+К	Контроль
Гибрид 1-15-635	6,2	14,2	6,0
Дар Костромы	5,7	12,1	5,2
НCР05 фактор А = 1,73, фактор В =1,41, общ. = 2,44

Таблица 3. Суммарная длина микропобегов клюквы болотной в зависимости от сорта и спектрального диапазона освещения, см

Сорт	Освещение
	СД-Б	СД-Б+К	Контроль
Гибрид 1-15-635	52,7	222,9	46,8
Дар Костромы	42,7	169,4	36,4
НCР05 фактор А = 5,57, фактор В = 7,47, общ. = 5,61

Таблица 4. Количество корней клюквы болотной в зависимости от сорта и спектрального диапазона освещения надземной части, шт.

Сорт	Освещение
	СД-Б	СД-Б+К	Контроль
Гибрид 1-15-635	5,7	14,0	4,8
Дар Костромы	6,5	11,7	5,9
НCР05 фактор А = 1,70, фактор В = 1,39, общ. = 2,41

Таблица 5. Средняя длина корней клюквы болотной в зависимости от сорта и спектрального диапазона освещения надземной части, см

Сорт	Освещение
	СД-Б	СД-Б+К	Контроль
Гибрид 1-15-635	8,2	11,7	7,6
Дар Костромы	8,5	11,2	7,9
НCР05 фактор А = 1,66, фактор В = 1,35, общ. = 2,34

Таблица 6. Суммарная длина корней клюквы болотной в зависимости от сорта и спектрального диапазона освещения надземной части, см

Сорт Освещение СД-Б СД-Б+К Контроль Гибрид 1-15-635 46,7 163,8 36,5 Дар Костромы 55,2 131,0 46,6 НCР05 фактор А = 4,15, фактор В = 5,32, общ. = 3,21 микропобегов клюквы болотной на этапах «собственно микроразмножение» и «укоренение in vitro». Более сильное стимулирующее воздействие оказывают светодиодные лампы с комбинацией белого и красного спектров. Например, при освещении растений-регенерантов клюквы болотной светодиодными лампами с комбинацией белого и красного спектров количество микропобегов было почти в 1,9 раза больше, их средняя длина – в 2,1–2,3 раза, а суммарная длина – в 4,0–4,2 раза больше, чем при освещении лампами белого спектра. Более мощное развитие надземной части растений клюквы болотной способствовало более интенсивному развитию корневой системы. При освещении надземной части лампами с комбинацией белого и красного спектров количество корней было в 1,8–2,5 раза больше, их средняя длина – в 1,3–1,4 раза, а суммарная длина – в 2,4–3,5 раза больше, чем при освещении лампами белого спектра. Растения клюквы болотной гибридной формы 1-15-635 формировали более мощную надземную часть и корневую систему, чем растения сорта Дар Костромы.