Влияние природно-географических условий на растения карликовых форм томата в сооружениях защищенного грунта различного типа

Влияние природно-географических условий на растения карликовых форм томата в сооружениях защищенного грунта различного типа

Автор: Панова Г.Г., Левинских М.А., Новак А.Б., Родькин В.В., Тепляков А.В., Балашова И.Т., Артемьева А.М., Швед Д.М., Удалова О.Р., Мирская Г.В., Кулешова Т.Э., Хомяков Ю.В., Вертебный В.Е., Чесноков Ю.В.

Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology

Рубрика: Крайний Север, Арктика, Антарктика: новые агротехнологии

Статья в выпуске: 5 т.59, 2024 года.

Бесплатный доступ

Проблема обеспечения регионов с суровыми природно-климатическими условиями, включая Арктику и Антарктику, свежей качественной растительной продукцией как естественным источником витаминов и других полезных веществ в доступной форме требует инновационного решения. Решением может быть создание высокоэффективных ресурсосберегающих масштабируемых систем с экологически безопасными и малоотходными технологиями выращивания адаптированных культур. В настоящей работе мы впервые выявили влияние природно-географических условий высокогорья, где расположена антарктическая станция «Восток», на рост, развитие, продуктивность и качество плодов у карликовых форм томата. Показана пластичность томата, которая выражалась в получении сходной урожайности за счет изменения числа и массы плодов при выращивании в фитотехкомплексах-оранжереях-1 в разных географических точках: на станции «Восток» в условиях гипобарической гипоксии и на агробиополигоне ФГБНУ АФИ (г. Санкт-Петербург). Условия станции «Восток» в основном не оказывали значимого влияния на качество плодов томата и их элементный состав. Показано, что реализация продукционного потенциала растений была достоверно выше в регулируемых условиях фитотехкомплексов-оранжерей-1 в сравнении с таковой в теплицах с неконтролируемыми условиями световой и воздушной среды. Цель работы - оценить продукционный потенциал карликовых форм томата в системах выращивания разного типа на антарктической станции «Восток» и в европейской части Евразийского континента. Исследования проводили в 2021-2023 годах в жилом помещении площадью 12 м2 на антарктической станции «Восток», на специализированном агробиополигоне для выращивания растений с регулируемыми условиями ФГБНУ АФИ (г. Санкт-Петербург), в поликарбонатных теплицах с неконтролируемыми условиями световой и воздушной среды Федерального исследовательского центра Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова (ФГБНУ ФИЦ ВИР, г. Пушкин-Санкт-Петербург) и Федерального научного центра овощеводства (ФГБНУ ФНЦ овощеводства, Московская обл.). Объектом служили растения томата Solanum lycopersicum L. var. lycopersicum сортов Наташа и Тимоша селекции ФГБНУ ФНЦ овощеводства. Растения супердетерминантные, с генами карликовости, не требуют пасынкования. В фитотехкомплексе-оранжерее-1 на станции «Восток» и на агробиополигоне ФГБНУ АФИ была реализована разработанная в ФГБНУ АФИ технология культивирования растений на тонкослойном аналоге почв (тонкослойная панопоника). Наряду с тонкослойной панопоникой в фитотехкомплексе-оранжерее-1 на агробиополигоне использовали малообъемную панопонику с наличием в зоне прорастания семян и роста корней небольшого объема (2 л/растение) субстрата на основе верхового торфа низкой степени разложения, размещенного на поверхности гидрофильного материала. В поликарбонатной теплице ФГБНУ ФИЦ ВИР растения томата выращивали в грядах торфяного субстрата Агробалт С. Объем субстрата - 14 л/растение. В поликарбонатной теплице ФГБНУ ФНЦО растения томата выращивали на пятиярусной узкостеллажной гидропонной установке МУГ. В качестве корнеобитаемой среды также использовали торфяной субстрат Агробалт С. Объем торфяного субстрата - 1 л/растение. На протяжении вегетационных периодов проводили фенологические наблюдения. При уборке учитывали высоту растений и показатели продуктивности (масса 1 плода, общее число и общая масса плодов с растения за год). На основе полученных данных рассчитывали урожайность плодов томата (кг/м2 в год). Выполняли биохимический анализ плодов. Эксплуатация фитотехкомплекса-оранжереи-1 с реализованной в ней технологией тонкослойной панопоники на станции «Восток» продемонстрировала его высокую эффективность в производстве качественной и безопасной растительной продукции и психологическую значимость для полярников. Растения карликового томата двух сортов, выращиваемые в фитотехкомплексах на станции «Восток» с условиями гипобарической гипоксии, формировали более мелкие плоды, но в существенно большем количестве, чем на агробиополигоне ФГБНУ АФИ с оптимизированными регулируемыми условиями среды обитания растений. При этом достоверных различий в урожайности растений с единицы площади за год, а также в качестве и безопасности плодов не наблюдалось. Адаптация растений томата на станции «Восток» может быть связана с потенциальной устойчивостью культуры томата к условиям высокогорья в силу ее географического происхождения. В то же время по сравнению с условиями в теплицах фитотехкомплексы обеспечивали более полное регулирование среды, что благоприятным значимым образом отражалось на состоянии растений и реализации ими генетически обусловленного продукционного потенциала. В частности, на растениях формировалось существенно большее число плодов. Установлено, что количество субстрата и плотность размещения растений оказывали влияние на элементы продуктивности.

Еще

Карликовый томат, фитотехкомплекс-оранжерея, антарктическая станция «восток», агробиополигон фгбну афи, теплица, рост, развитие, продуктивность, качество растительной продукции.

Короткий адрес: https://sciup.org/142243783

IDR: 142243783   |   DOI: 10.15389/agrobiology.2024.5.910rus

Список литературы Влияние природно-географических условий на растения карликовых форм томата в сооружениях защищенного грунта различного типа

  • Зинченко А.П., Уколова А.В., Демичев В.В. Сравнительная оценка регионов России с неблагоприятными условиями ведения сельского хозяйства. Экономика сельского хозяйства России, 2013, 2: 20-26.
  • Plant factory: an indoor vertical farming system for efficient quality food production /T. Kozai, G. Niu, M. Takagaki (eds.). Academic Press, 2019.
  • Kwon C.T. Trait improvement of solanaceae fruit crops for vertical farming by genome editing. Journal of Plant Biology, 2023, 66: 1-14 (doi: 10.1007/s12374-022-09370-5).
  • Shamshiri R.R., Kalantari F., Ting K.C., Thorp K.R., Hameed I.A., Weltzien C., Ahmad D., Shad Z.M. Advances in greenhouse automation and controlled environment agriculture: A transition to plant factories and urban agriculture. International Journal of Agricultural and Biological Engineering, 2018, 11(1): 1-22 (doi: 10.25165/j.ijabe.20181101.3210).
  • Avgoustaki D.D., Xydis G. Indoor vertical farming in the urban nexus context: business growth and resource savings. Sustainability, 2020, 12(5): 1965 (doi: 10.3390/su12051965).
  • Eldridge B.M., Manzoni L.R., Graham C.A., Rodgers B., Farmer J.R., Dodd A.N. Getting to the roots of aeroponic indoor farming. New Phytologist, 2020, 228(4): 1183-1192 (doi: 10.1111/nph.16780).
  • Van Gerrewey T., Boon N., Geelen D. Vertical farming: the only way is up? Agronomy, 2022, 12(1):, 2 (doi: 10.3390/agronomy12010002).
  • Ampim P.A.Y., Obeng E., Olvera-Gonzalez E. Indoor vegetable production: an alternative approach to increasing cultivation. Plants, 2022, 11(21): 2843 (doi: 10.3390/plants11212843).
  • Oh S., Lu C. Vertical farming — smart urban agriculture for enhancing resilience and sustainability in food security. The Journal of Horticultural Science and Biotechnology, 2023, 98(2): 133-140 (doi: 10.1080/14620316.2022.2141666).
  • van Delden S.H., SharathKumar M., Butturini M., Graamans L.J.A., Heuvelink E., Kacira M., Kaiser E., Klamer R.S., Klerkx L., Kootstra G., Loeber A., Schouten R.E., Stanghellini C., van Ieperen W., Verdonk J.C., Vialet-Chabrand S., Woltering E.J., van de Zedde R., Zhang Y., Marcelis L.F.M. Current status and future challenges in implementing and upscaling vertical farming systems. Nat. Food, 2021, 2: 944-956 (doi: 10.1038/s43016-021-00402-w).
  • Kwon C.-T., Heo J., Lemmon Z.H., Capua Y., Hutton S.F., Van Eck J., Park S.J., Lippman Z.B. Rapid customization of Solanaceae fruit crops for urban agriculture. Nat. Biotechnol., 2020, 38: 182-188 (doi: 10.1038/s41587-019-0361-2).
  • O’Sullivan C.A., McIntyre C.L., Dry I.B., Hani S.M., Hochman Z., Bonnett G.D. Vertical farms bear fruit. Nat. Biotechnol., 2020, 38: 160-162 (doi: 10.1038/s41587-019-0400-z).
  • Gaston A., Osorio S., Denoyes B., Rothan C. Applying the Solanaceae strategies to strawberry crop improvement. Trends Plant Sci., 2020, 25(2): 130-140 (doi: 10.1016/j.tplants.2019.10.003).
  • Panova G.G., Udalova O.R., Kanash E.V., Galushko A.S., Kochetov A.A., Priyatkin N.S., Arkhypov M.V., Chernousov I.N. Fundamentals of physical modeling of “ideal” agroecosystems. Tech. Phys., 2020, 65: 1563-1569 (doi: 10.1134/S1063784220100163).
  • Кочетов А.А., Мирская Г.В., Синявина Н.Г., Егорова К.В. Трансгрессивная селекция: методология ускоренного получения новых форм растений с прогнозируемым комплексом хозяйственно ценных признаков. Российская сельскохозяйственная наука, 2021, 6: 29-37 (doi: 10.31857/S2500262721060065).
  • Sinyavina N.G., Kochetov A.A., Kocherina N.V., Egorova K.V., Kurina A.B., Panova G.G., Chesnokov Y.V. Breeding approaches for controlled conditions of artificial light culture for small radish and radish (Raphanus sativus L.). Horticulturae, 2023, 9(6): 678 (doi: 10.3390/horticulturae9060678).
  • Araus J.L., Kefauver S.C., Zaman-Allah M., Olsen M.S., Cairns J.E. Translating high-throughput phenotyping into genetic gain. Trends Plant Sci., 2018, 23(5): 451-466 (doi: 10.1016/j.tplants.2018.02.001).
  • Hickey L.T., Hafeez A., Robinson H., Jackson S.A., Leal-Bertioli S.C.M., Tester M., Gao C., Godwin I.D., Hayes B.J., Wulf B.B.H. Breeding crops to feed 10 billion. Nat. Biotechnol., 2019, 37: 744-754 (doi: 10.1038/s41587-019-0152-9).
  • Yang W., Feng H., Zhang X., Zhang J., Doonan J.H., Batchelor W.D., Xiong L., Yan J. Crop phenomics and high-throughput phenotyping: past decades, current challenges, and future perspectives. Mol. Plant, 2020, 13(2): 187-214 (doi: 10.1016/j.molp.2020.01.008).
  • Tao H., Xu S., Tian Y., Li Z., Ge Y., Zhang J., Wang Y., Zhou G., Deng X., Zhang Z., Ding Y., Jiang D., Guo Q., Jin S. Proximal and remote sensing in plant phenomics: 20 years of progress, challenges, and perspectives. Plant Communications, 2022, 3(6): 100344 (doi: 10.1016/j.xplc.2022.100344).
  • Саватюгин Л.М., Преображенская М.А. Внутриконтинентальная антарктическая станция Восток — полюс холода планеты (к 50-летнему юбилею станции). Метеорология и гидрология, 2008, 7: 85-98.
  • Ильин Е.А Психологический статус полярников и его фармакокоррекция в условиях годовой изоляции на станции «Восток» в Антарктиде. Авиакосмическая и экологическая медицина, 2017, 51(4): 5-14 (doi: 10.21687/0233-528X-2017-51-4-5-14).
  • Левинских М.А., Сигналова О.Б., Дерендяева Т.А., Ливанская О.Г., Нефедова Е.Л., Сычев В.Н., Подольский И.Г. Разработка технологии выращивания и выбор овощных листовых культур для космических оранжерей. Авиакосмическая и экологическая медицина, 2001, 35(1): 61-67.
  • Левинских М.А., Сычев В.Н., Гущин В.И., Кареткин А.Г., Сигналова О.Б., Дерендяева Т.А., Нефедова Е.Л., Поддубко С.В., Подольский И.Г., Михайлов Н.И. Оранжерея в составе системы жизнеобеспечения эксперимента со 105-суточной изоляцией: биологические, технологические и психологические аспекты. Авиакосмическая и экологическая медицина, 2010, 44(4): 57-61.
  • Черноусов И.Н., Панова Г.Г., Удалова О.Р., Александров А.В. Фитотехкомплекс для выращивания растений. Патент на полезную модель RU 189309 U1 МПК A01G 9/14 (2006.01). Федерал. гос. бюджет. науч. учрежд. «Агрофизический науч.-иссл. ин-т» (RU), Общество с огр. отв. «Фитосфера» (RU). № 2018132302. Заявл. 10.09.2018. Опубл. 21.05.2019. Бюл. № 15.
  • Panova G.G., Teplyakov A.V., Novak A.B., Levinskikh M.A., Udalova O.R., Mirskaya G.V., Khomyakov Y.V., Shved D.M., Ilyin E.A., Kuleshova T.E., Kanash E.V., Chesnokov Yu.V. Growth and development of leaf vegetable crops under conditions of the phytotechnical complex in Antarctica. Agronomy, 2023, 13(12): 3038 (doi: 10.3390/agronomy13123038).
  • Gatahi D.M. Challenges and opportunities in tomato production chain and sustainable standards. International Journal of Horticultural Science and Technology, 2020, 7(3): 235-262 (doi: 10.22059/ijhst.2020.300818.361).
  • Blanca J., Cañizares J., Cordero L., Pascual L., Diez M.J., Nuez F. Variation revealed by SNP genotyping and morphology provides insight into the origin of the tomato. PLoS ONE, 2012, 7(10): e48198 (doi: 10.1371/journal.pone.0048198).
  • Ali M.Y., Sina A.A.I., Khandker S.S., Neesa L., Tanvir E.M., Kabir A., Khalil M.I., Gan S.H. Nutritional composition and bioactive compounds in tomatoes and their impact on human health and disease: A Review. Foods, 2021, 10(1): 45 (doi: 10.3390/foods10010045).
  • Salehi B., Sharifi-Rad R., Sharopov F., Namiesnik J., Roointan A., Kamle M., Kumar P., Mar-tins N., Sharifi-Rad J. Beneficial effects and potential risks of tomato consumption for human health: an overview. Nutrition, 2019, 62: 201-208 (doi: 10.1016/j.nut.2019.01.012).
  • Курина А.Б., Соловьева А.Е., Храпалова И.А., Артемьева А.М. Биохимический состав пло-дов томата различной окраски. Вавиловский журнал генетики и селекции, 2021, 25(5): 514-527 (doi: 10.18699/VJ21.058).
  • Patterson R.L., Giacomelli G.A., Kacira M., Sadler P.D., Wheeler R.M. Description, operation and production of the South Pole Food Growth Chamber. Acta Hortic., 2012, 952: 589-596 (doi: 10.17660/ActaHortic.2012.952.75).
  • Bamsey M.T., Zabel P., Zeidler C., Vrakking V., Schubert D., Kohlberg E., Stasiak M., Gra-ham T. Early trade-offs and top-level design drivers for Antarctic greenhouses and plant produc-tion facilities. Proc. 46th Int. Conf. on Environmental Systems. Vienna, Austria, 2016: 1-20.
  • Zabel P., Zeidler C., Vrakking V., Dorn M., Schubert D. Biomass production of the EDEN ISS space greenhouse in Antarctica during the 2018 experiment phase. Front. Plant Sci., 2020, 11: 656 (doi: 10.3389/fpls.2020.00656).
  • Finzi R.R., Maciel G.M., Silva E.C.D., Luz J.M.Q., Borba M.E.A. Agronomic performance of mini-tomato hybrids from dwarf lines. Ciência e Agrotecnologia, 2017, 41(1): 15-21 (doi: 10.1590/1413-70542017411021416).
  • Ермаков Е.И. Методология панопоники как основы защищенного грунта ноосферного уровня. Аграрная наука, 2001, 2: 46-49.
  • Сирота С.М., Балашова И.Т., Козарь Е.Г., Митрофанова О.А., Аутко А.А., Долбик М.А. Первые результаты селекции сортов и гибридов томата для многоярусной узкостеллажной гидропоники. Теплицы России, 2014, 3: 58-62.
  • Методические указания по изучению и по поддержанию мировой коллекции овощных пасленовых культур (томаты, перцы, баклажаны). Л., 1977.
  • Ермаков А.И., Арасимович В.В., Ярош Н.П., Перуанский Ю. В., Луковникова Г.А., Смирнова-Иконникова М.И. Методы биохимического исследования растений. Л., 1987.
  • Руководство по методам анализа качества и безопасности пищевых продуктов /Под ред. И.М. Скурихина, В.А. Тутельяна. М., 1998.
  • Ohno T., Ono E., Ohashi-Kaneko K., Usami H., Fuse M., Watanabe H. Growth and flowering of dwarf tomato in hypobaric environment. Eco-Engineering, 2018, 30(3): 65-71 (doi: 10.11450/seitaikogaku.30.65).
  • Richards J.T., Edney S.L., Yorio N.C., Stutte G.W., Cranston N., Wheeler R.M., Goins G.D. Effects of lighting intensity and supplemental CO2 on yield of potential salad crops for ISS. SAE Technical Paper, 2004, 2004-01-2296 (doi: 10.4271/2004-01-2296).
  • Wehkamp S.A., Stasiak M., Wehkamp C.A., Lawson J., Yorio N., Stutte G., Richards J., Wheeler R., Dixon M. Radish (Raphanus sativa L. cv. Cherry Bomb II) growth, net carbon ex-change rate, and transpiration at decreased atmospheric pressure and/or oxygen. Gravitational and Space Research, 2012, 26(1): 3-16.
  • Fukao T., Bailey-Serres J. Plant responses to hypoxia — is survival a balancing act? Trends in Plant Science, 2004, 9(9): 449-456 (doi: 10.1016/j.tplants.2004.07.005).
  • Geigenberger P. Response of plant metabolism to too little oxygen. Current Opinion in Plant Biology, 2003, 6(3): 247-256 (doi: 10.1016/S1369-5266(03)00038-4).
  • Bailey-Serres J., Chang R. Sensing and signalling in response to oxygen deprivation in plants and other organisms. Annals of Botany, 2005, 96(4): 507-518 (doi: 10.1093/aob/mci206).
  • Gary Stutte W., Yorio N.C., Edney S.L., Richards J.T., Hummerick M.P., Stasiak M., Dixon M., Wheeler R.M. Effect of reduced atmospheric pressure on growth and quality of two lettuce cultivars. Life Sciences in Space Research, 2022, 34: 37-44 (doi: 10.1016/j.lssr.2022.06.001).
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp