CC BY
36
УДК 633.11:581.142
ОЦЕНКА ЗАСУХОУСТОЙЧИВОСТИ ОЗИМОЙ ПШЕНИЦЫ СЕЛЕКЦИИ ДОНСКОГО СЕЛЕКЦЕНТРА ПО ПРОРАСТАНИЮ СЕМЯН
В УСЛОВИЯХ ВОДНОГО ДЕФИЦИТА
© 2005 г. А. С. Казакова
Germination of winter wheat seeds of 58 genotypes under the conditions of water deficit was studied with our new method. Seeds were grown under the conditions of shortened water supply: 30, 35 and 40% per air-dry seeds mass. Drought resistance was measured by the quantity of emerged and germinated seeds. It was shown that all studied genotypes differ strongly by the resistance to water stress during germination. The most resistant genotypes were collected for the next breeding process. Our simple method may be used for drought resistance screening of winter wheat genotypes.
В южных регионах России часто наблюдаются осенние почвенные засухи, вследствие чего растения озимой пшеницы подвергаются воздействию дефицита влаги на ранних этапах развития: во время набухания и прорастания семян. Было показано [1], что наибольшей дисперсией отличаются такие физиолого-ценотические показатели растений и агроценозов, как способность семян к прорастанию при физиологическом дефиците воды и зависящая от этого густота стеблестоя агрофитоценоза. Академик Россельхозака-демии И.Г. Калиненко считал одним из важных направлений в создании новых сортов озимой пшеницы селекцию на засухоустойчивость [2]. В Донском селекционном центре под его руководством созданы уникальные сорта мягкой и твердой озимой пшеницы, обладающие комплексом хозяйственно ценных признаков, в том числе и высокой засухоустойчивостью. Однако физиологическая характеристика засухоустойчивости донских озимых пшениц на ранних этапах развития растений отсутствует, что затрудняет расшифровку механизма устойчивости к почвенной засухе и разработку методов оценки и отбора селекционного материала.
Для массовой сравнительной оценки генотипов озимой пшеницы на устойчивость к засухе в период прорастания семян необходим простой, несложный и производительный метод. Широко известен и часто применяется метод проращивания семян на растворах осмотиков, например сахарозы или полиэтиленгликоля. Ранее нами был предложен и успешно апробирован на культуре сорго метод оценки образцов путем проращивания семян при минимальном исходном количестве воды, которое устанавливается в процентах от воздушно-сухой массы семян [3]. Существенное преимущество данного метода заключается в том, что не приходится иметь дело с растворами осмотиков, например, с сахарозой, нет нужды стерилизовать семена и требуется минимум оборудования.
В связи с этим целью данной работы явилось изучение засухоустойчивости на ранних этапах развития растений (набухание, наклевывание и прорастание семян) сортов мягкой озимой пшеницы интенсивного и полуинтенсивного типов, а также твердой озимой пшеницы селекции Донского селекционного центра с применением разработанной нами оригинальной методики.
Материалы и методы исследований
В работе использовали семена сортообразцов озимой пшеницы конкурсного испытания одного года репродукции. Изучено 58 сортов и линий, в том числе 18 образцов мягкой озимой пшеницы интенсивного типа, 20 - полуинтенсивного типа, 20 - твердой и тур-гидной озимой пшеницы. Определяли набухание, на-клевывание и прорастание семян в условиях дефицита влаги, который создавали, добавляя воду к семенам для прорастания в количестве от 10 до 100 % их воздушно-сухой массы. Семена проращивали при +20 оС до полного исчерпания запасов влаги, что составляет 48 ч, затем подсчитывали число наклюнувшихся (Н), проросших (П) и тронувшихся в рост (сумма Н+П) семян, а затем определяли их влажность. Наклюнувшимися считали семена, у которых зародышевый ко-
Таблица 1
Зависимость числа тронувшихся в рост семян (Н+П) озимой пшеницы от исходного количества воды
Сорт Общее число (Н+П) семян в зависимости от содержания воды, % от воздушно-сухой МС
30 40 50 60 70 80 90 100
Зерноградка 8 28 82 97 97 96 98 97 97
Тарасовская 29 25 79 87 93 94 96 97 97
Новинка 4 2 46 83 83 86 86 87 87
Донская безостая 36 74 94 94 97 99 98 99
Дон 85 57 82 94 94 96 96 96 96
среднее 30 73 91 92 94 95 95 95
решок виден в виде белой точки, а проросшими - семена, у которых имеется несколько зародышевых корешков, а длина ростка составляет более половины длины оси семени. Влажность изучаемых семян определяли по стандартной методике весовым методом. Полученные данные подвергали статистической обработке.
Результаты исследований
Зависимость прорастания семян от исходного количества влаги оценили на пяти сортах, допущенных к использованию по Северо-Кавказскому региону. Это было необходимо для того, чтобы определить, какое количество воды, добавленное к семенам для прорастания, позволит выявить истинную устойчивость к дефициту влаги. Оказалось, что при количестве воды 50 до 100 % от воздушно-сухой массы семян (МС) все всхожие семена уже трогаются в рост, и выявить различия между образцами не удается (табл. 1). Количество воды 10 и 20 % МС слишком мало для наклевывания и прорастания, семена некоторых образцов вообще не трогаются в рост, поэтому эти варианты увлажнения были сразу исключены из рассмотрения.
Показатели (Н+П) для вариантов 30 и 40 % воды разнятся весьма существенно как между собой, так и между сортами. Причем в интервале воды 30... 40 % происходят значительные изменения всхожести -число (Н+П) возрастает от двух до двадцати раз по разным образцам. В связи с этим для дальнейшего анализа использовали следующую схему опыта: стандартную навеску семян заливали дистиллированной водой в количестве 30, 35, 40 и 50 % от массы семян, помещали их в термостат при +20 оС на 48 часов (до полного исчерпания запасов влаги), а затем подсчитывали число Н, число П, число (Н+П), и выражали полученные данные в процентах от числа всхожих семян.
Влажность семян всех изученных сортов имеет очень близкие значения и составляет в среднем 30,8 % у наклюнувшихся, а у проросших - 34,3 % (табл. 2).
Полученные данные согласуются с современными представлениями о последовательности включения физиологических и биохимических процессов в прорастающих семенах при поглощении ими воды: у живых семян в процессе набухания при достижении ими 20 - 22 % влажности происходит активация гликолиза, цикла Кребса, взаимопревращений аминокислот; при 40 - 45 % влажности - активация считывания генов и полная активация дыхания за счет завершения митохондриогенеза; при 50 -55 % - активация синтеза белка, а также деградации запасного белка и крахмала [4]. Указанные уровни оводненности для каждого из процессов являются критическими, так как процессы не активируются при меньшей влажности. Таким образом, к концу физического набухания (достижении 55 - 60 % влажности) в семенах активирован весь ос-
Таблица 2
Влажность наклюнувшихся и проросших семян _озимой пшеницы_
Сорт Влажность семян, %
Наклюнувшиеся Проросшие
Тарасовская 29 30,0 33,0
Дон 85 29,4 31,9
Зерноградка 8 30,1 34,4
Дон 95 30,0 34,6
Донская безостая 33,5 36,4
Дон 93 31,6 35,5
Среднее 30,8 34,3
Пределы 29,4... 33,5 31,9.36,4
новной метаболизм и в осевых органах начинаются процессы, подготавливающие начало растяжения клеток.
Если принять во внимание, что влажность сухих семян пшеницы составляет 8 %, то для достижения ими влажности наклевывания семена должны поглотить воду в количестве 25 % МС, а для достижения влажности прорастания - 32 % МС. Добавляя в наших опытах воду в количестве 30 % МС, мы обеспечиваем семенам возможность полного наклёвывания, а добавляя воду в количестве 35 % МС - обеспечиваем также возможность их прорастания, однако количество воды близко к критическому. Именно поэтому при добавлении воды в количестве 35 % МС мы наблюдали полное ранжирование сортов озимой пшеницы по изучаемым показателям.
Сравнительный анализ устойчивости к недостатку влаги провели по разработанной методике, в анализ включили 58 генотипов озимой пшеницы, в том числе образцы озимой пшеницы интенсивного, полуинтенсивного типов, а также твердой и тургид-ной. Полученные данные свидетельствуют о существенных различиях по изучаемым параметрам не только между генотипами, но и между типами пшениц (табл. 3). При наличии влаги 30 % МС во всех типах пшениц имеются генотипы, семена которых не прорастают, а среди образцов твердой и полуинтенсивного типа - даже и не способны наклюнуться. По числу Н и П семян устойчивость к недостатку влаги снижается в ряду пшениц: интенсивного типа > полуинтенсивного типа > твердая пшеница. При наличии влаги 35 % МС наблюдается наибольшее различие генотипов между собой как по числу Н, так и по числу П семян. При увеличении влаги до 40 и 50 % МС начинается массовое прорастание семян, и картина устойчивости к недостатку влаги смазывается. Величины коэффициента вариации (табл. 2) также свидетельствуют о том, что наибольшая дифференциация генотипов по устойчивости наблюдается при наличии влаги 35 % МС.
Между типами изученных пшениц выявлена разница также и по направленности процессов наклевы-
Таблица 3
Средние по группе показатели числа наклюнувшихся и проросших семян озимой пшеницы в зависимости _ от исходного количества воды, % от воздушно-сухой массы семян_
Показатель, % 30 % воды 35 % воды 40 % воды 50 % воды
Н П Н+П Н П Н+П Н П Н+П Н П Н+П
Мягкая озимая пшеница интенсивного типа (18 образцов)
Число семян 29,2 2,2 31,4 50,0 9,8 59,8 47,0 36,3 83,4 14,0 79,2 93,6
Размах значений 15 - 42 0 - 11 15 - 43 27 -79 0 - 26 27 - 88 17 -70 0 - 59 65 -94 4 - 43 42 - 96 85 - 100
Коэффициент вар. 28,2 17,5 29,0 25,9 76,4 25,9 32,5 39,1 11,5 63,2 14,3 4,7
Мягкая озимая пшеница полуинтенсивного типа (20 об разцов)
Число семян 22,9 0,4 23,3 59,1 5,2 64,3 57,3 24,6 81,9 11,7 84,4 96,6
Размах значений 0 - 47 0 - 3 0 - 49 37 -82 0 - 15 44 - 83 39 -71 8 - 43 64 - 95 11 - 59 36 - 95 83 - 100
Коэффициент вар. 50,2 22,0 50,9 20,3 69,8 17,3 15,9 38,1 11,0 10,7 15,4 2,4
Твердая озимая пшеница (20 образцов)
Число семян 15,4 0 15,4 33,5 4,1 37,7 47,1 11,8 59,0 24,8 64,4 89,2
Размах значений 0 - 37 0 0 - 37 11 - 52 0 - 18 11 - 65 31 - 75 0 - 34 34 - 77 12 - 56 32 - 77 82 - 97
Коэффициент вар. 72,7 0 72,7 35,9 13,6 40,2 25,3 76,0 19,5 41,7 17,0 3,7
вания и прорастания семян при разном исходном содержании влаги. Число Н, П, (Н+П) у пшениц интенсивного и полуинтенсивного типов четко разнится, что свидетельствует о наличии точек перегиба, в которых происходят изменения направленности физиологических процессов поглощения воды и запуска ростовых реакций (табл. 3). У пшениц интенсивного типа наличие влаги 30 % МС уже достаточно для активного наклевывания, а 35 % МС - для подготовки и начала прорастания семян. У пшениц полуинтенсивного типа максимум наклевывания семян соответствует наличию влаги 35 % МС, а активное прорастание начинается при 40 % воды от МС. У твердой пшеницы увеличение числа Н семян продолжается до содержания влаги 30...40 % МС, а число П семян возрастает только при увеличении влаги более 40 % МС.
Среди изученных образцов озимой пшеницы имеются сорта и линии, выделившиеся по способности семян прорастать при минимуме влаги (табл. 4). Характерно, что среди них много сортов, включенных в Реестр селекционных достижений, допущенных к использованию и занимающих в производстве большие площади.
Таблица 4
Наиболее устойчивые к осенней почвенной засухе образцы
озимой мягкой, а также твердой и тургидной пшеницы по результатам проращивания семян при дефиците влаги
Обсуждение результатов
Полученные данные подтверждают существование генотипических различий между мягкими и твердыми озимыми пшеницами по способности семян к быстрому поглощению воды и прорастанию при дефиците влаги. Если к семенам добавить воду в количестве 30 % от их воздушно-сухой массы, то этого количества с избытком хватит для полного наклевывания и достижения
№ Число семян (%) в зависимости
п/п Образец от кол-ва воды
30 % 35 % 40 %
Н П Н П Н П
Пшеница интенсивного типа
1 Зерноградка 9 38 0 36 26 51 41
2 Подарок Дону 26 9 48 11 26 46
3 Донщина 24 11 52 14 17 50
4 Донская юбилейная 30 7 35 19 20 45
5 Зерноградка 8 35 8 57 9 37 45
6 1029/96 38 4 56 10 46 46
Пшеница полуинтенсивного типа
1 Дон 95 30 2 82 1 62 30
2 Дар Зернограда 23 0 65 6 61 28
3 Ермак 30 0 71 4 63 32
4 Альбатрос Одесский 47 2 70 4 66 25
5 Тарасовская 29 39 0 76 1 63 31
6 794/95 30 0 62
7 1231/96 30 0 47 15 59 22
8 1247/96 26 0 68 7 71 8
Твердая пшеница
1 Жемчужина Дона 22 0 38 13 31 18
2 284/97 37 0 48 16 50 21
3 359/97 23 0 45 12 35 34
4 364/97 29 0 46 8 57 16
5 588/97 22 0 20 10 56 14
влажности 30,8 % (см. табл. 2). При такой влажности семян уже запускается механизм гидролиза запасных углеводов, включается дыхание, обеспечивающее энергией метаболические процессы [4]. Однако максимальное количество наклюнувшихся семян состав-
ляет около 50 %, и только некоторые начинают прорастать. Для семян некоторых генотипов такого количества воды недостаточно даже для наклевывания. Очевидно, количество влаги 30 % МС выявляет наличие механизмов быстрого поглощения воды и запуска ростовых процессов, что может быть связано с состоянием ферментных систем в сухих семенах. Нами было показано на яровом ячмене, что наиболее устойчивые к дефициту влаги в период прорастания семян сорта характеризуются повышенной активностью фермента пероксидазы в сухих семенах [5].
При добавлении к семенам воды в количестве 35 % МС, которого достаточно для достижения семенами влажности прорастания (36,4 %, см. табл. 2) при условии поглощения влаги всеми семенами с одинаковой скоростью (чего на практике никогда не происходит), наблюдается существенное ранжирование изучаемых генотипов по количеству Н, Пи (Н+П) семян. Число наклюнувшихся семян достигает максимума, активизируются ростовые процессы и выявляется полная картина устойчивости сортов к недостатку влаги при прорастании семян. Для завершения полного ранжирования образцов по устойчивости к недостатку влаги на начальных этапах развития растений необходимо оценить результаты проращивания семян при 40 % воды от МС. Здесь происходит уменьшение числа наклюнувшихся семян, так как они уже становятся проросшими. Следовательно, при наличии влаги 40 % МС можно проанализировать активность собственно ростовых процессов.
Аналогичные результаты были получены нами при оценке семян сорго на способность прорастать при минимуме влаги [3]. Оказалось, что наиболее полное ранжирование генотипов по данному признаку достигается также при проращивании семян при 35 % МС. Таким образом, предложенная методика может быть с успехом использована для массовой оценки генотипов пшеницы по способности семян прорастать при недостатке влаги.
По анализу 58 генотипов озимой мягкой пшеницы установлено, что наиболее приспособленными переносить недостаток влаги при прорастании являются семена пшеницы интенсивного типа, а семена озимой
твердой и тургидной пшеницы требуют для прорастания больше всего воды. Однако в каждой группе имеются генотипы, обладающими мощным механизмом быстрого поглощения воды и включения физио-лого-биохимических процессов, которые могут быть использованы в селекционном процессе в качестве источников и доноров этого признака. Отрадно отметить, что самыми приспособленными прорастать при минимуме влаги являются семена сортов степного экотипа местной селекции, что является развитием и подтверждением идей академика РАСХН И.Г. Кали-ненко о ведущей роли признака засухоустойчивости в обеспечении высокой продуктивности озимых пшениц Дона.
Автор выражает благодарность заведующему отделом озимых пшениц доктору с.-х. наук ВНИИ ЗК (г. Зерноград) В. А. Ковтуну и заведующей лабораторией твердых и тургидных пшениц этого же института кандидату с.-х. наук Н.И. Самофаловой за предоставленные для исследования образцы и полезное обсуждение в ходе выполнения работы.
Литература
1. Осипов Ю.Ф. Физиолого-биохимические и агрофитоце-нотические особенности формирования продуктивности, зимозасухоустойчивости и качества зерна озимой пшеницы в условиях Северного Кавказа. Дис. ... д-ра биол. наук. М., 2000.
2. Калиненко И.Г. Селекция озимой пшеницы. Зерноград, 1995.
3. Казакова А. С. Физиолого-биохимические основы создания высокопродуктивных засухоустойчивых сортов и гибридов сорго: Дис. ... д-ра биол. наук. Краснодар, 1997.
4. Обручева Н.В. // Регуляция роста, развития и продуктивности растений: Материалы III Междунар. конф. г. Минск, 8-10 октября 2003 г. Минск, 2003. С. 93-94.
5. Казакова А. С., Гайдаш М.В. // Технология, селекция и семеноводство сельскохозяйственных культур: Межвузовский сб. науч. тр. Часть II (селекция). Зерноград, 2003. С. 51-56.
Азово-Черноморская государственная агроинженерная академия_18 марта 2005 г
