CC BY
67
тамара янчевская
заведующая отделом физиологии питания растений
института экспериментальной ботаники им. в.Ф. купревича нан Беларуси,
кандидат биологических наук
удк 633.21:631.532/.535
перспективная технология оптимизации первичного семеноводства картофеля
растениеводство — одно из самых древних и мирных занятий человека на земле. к настоящему времени оно сформировалось в мощный ключевой фактор экономической эффективности сельского хозяйства. техническое переоснащение и постоянная модернизация растениеводства глубоко оправданы, поскольку результат этих усилий обеспечивает большую экономическую и общественную выгоду.
картофель для беларуси — традиционная отраслеобразующая сельскохозяйственная культура. это связано не только со вкусовыми пристрастиями нашего населения, для которого «картофель — второй хлеб», но и с географическими и почвенно-кли-матическими условиями республики, позволяющими стабильно получать урожаи, превышающие 400 ц/га и обеспечивающие высокорентабельное производство.
сложности в получении высоких урожаев картофеля связаны с его биологическими особенностями. многие сорта непродолжительно цветут, не образуют плодов и семян, а если они и формируются, то имеют крайне низкую всхожесть. в этой связи при возделывании картофеля как вегетативно размножаемой культуры возникает ряд проблем. во-первых, необходима организация правильного хранения семенного картофеля, представляющего собой зимую-
щие видоизмененные побеги — клубни, а также их предпосадочная обработка и специальные машины для подготовки почвы и посадки. во-вторых, вследствие систематического воспроизводства картофеля клубнями в них накапливаются болезнетворные микроорганизмы и вирусы, что приводит к снижению урожая. в-третьих, в наших условиях в частном секторе, который производит более 80% всего картофеля, он культивируется чаще всего как монокультура, что приводит к накоплению инфекций в почве и последующему заражению посадочного материала [1].
в настоящее время перед селекционной наукой и семеноводством картофеля стоит цель — обеспечить производителей высококачественным семенным материалом. в условиях существующих традиционных подходов и методов эта задача остается трудноразрешимой как в нашей стране, так и в ближнем зарубежье.
Рис. 2. Разновозрастные регенеранты меристемных растений различных по срокам спелости сортов картофеля в процессе микроклонирования на БТК экспериментального участка ИЭБ НАН Беларуси при облучении искусственным светом различного спектрального состава
в используемой в настоящее время технологии получения рассады и выращивания оздоровленных мини-клубней картофеля, которые являются исходным материалом в первичном семеноводстве, выделяют три основных этапа. на первом этапе при микроклональном размножении из кусочка меристемной ткани этиолированного или зеленого ростка развивается меристем-ное растение in vitro (в пробирках) [2, 3]. на втором этапе 10—15 оздоровленных таким способом пробирочных растений, регенерированных из апикальных меристем, размножают до необходимого количества путем их черенкования in vitro на стерильных агаровых средах. процесс регенерации черенка до пробирочного растения картофеля занимает 25—30 дней. полученный материал подвергают тщательному контролю на отсутствие инфекции с помощью иммуноферментного анализа, электронной микроскопии и серологических методов. на третьем этапе размножения пробирочные растения в последнее время высаживают в ионообменные субстраты для адаптации к условиям in vivo (на биотехнических установках или комплексах), а затем в торфогрунт теплицы для получения мини-клубней. этот процесс занимает много времени, от 6 до 8 месяцев.
способам совершенствования первичного семеноводства и получения исходного
семенного материала—мини-клубней — уделяется пристальное внимание в международном центре по картофелю (перу), в венгрии, Франции, Англии, польше, китае, Южной корее и других странах. в частности, голландцы в последнее время стали использовать защищенный грунт для получения первого клубневого поколения в течение всего года. такие технологии применяют для ускоренного размножения новых и селекционных сортов [3—5].
в Южной корее с 1989 г. принята тех-
нология, согласно которой в закрытом грунте типа зимней теплицы проводят четыре вегетации в год на ранних сортах картофеля. с площади теплицы 0,5 га собирают 20 млн штук мини-клубней за год, то есть около 1000 штук с одного м2 за одну вегетацию. для выращивания используют органический субстрат с добавкой минералов вермикулита и перлита. для Южной кореи такое количество мини-клубней полностью обеспечивает потребности первичного семеноводства (400 га) и производство товарного карто-
Рис. 1. Схема расположения унифицированных модулей биотехнического комплекса для круглогодичного выращивания рассады и мини-клубней на ионообменном субстрате в лабораторных помещениях для размножения селекционного материала
Рис. 4. Вегетирующие растения картофеля, высаженные рассадой на БТК
феля заканчивается получением суперсупер элиты [5].
Изучение физиологических процессов получения урожая картофеля в закрытом грунте, формирования морфотипа растения и структуры урожая в этих условиях, как этапа размножения исходного материала, представляет большой научно-теоретический и практический интерес [3, 5]. в отличие от развития агрофитоценозов открытого грунта, где основным фактором, который может регулироваться, является минеральное питание растений и отчасти их полив, в закрытых помещениях можно создавать оптимальные условия освещенности, влажности и температуры в зависимости от фазы развития растений для максимальной реализации их продукционного потенциала. в связи с этим
Рис. 3. Стадии ризогенеза черенковых регенерантов ранних сортов картофеля (Аксамит, Лазурит) в процессе микроклонального размножения. Возраст регенерантов: вверху — 3 суток, в центре — 6 суток, внизу — 8 суток
всестороннее изучение физиологии роста и развития картофеля в закрытых помещениях, технически позволяющих оптимизировать освещенность, влажность и температуру в зависимости от фазы развития и сроков спелости выращиваемого сорта, является научной основой для разработки интенсивных технологий производства высококачественного исходного семенного материала, который очень высоко ценится в первичном семеноводстве в различных странах мира (0,2—1 долл. США за мини-клубень) [5].
На протяжении 2002—2004 гг. в отделе физиологии питания растений ИЭБ НАН Беларуси выполнен инновационный проект «Разработать ресурсосберегающую технологию круглогодичного получения безвирусного материала картофеля на основе ионитопоники». Результатом этой работы явилась ресурсосберегающая технология, направленная на круглогодичное получение безвирусного исходного материала картофеля на основе многоразового использования сбалансированных по минеральному питанию искусственных ионообменных субстратов и реализованная посредством биотехнических комплексов (БТК) (рис. 1). Конструкция и принцип работы Бтк, особенности его эксплуатации подробно описаны [5, 7—9].
Согласно ГОСТ СТБ 1224-2000 [6], исходный материал картофеля может быть получен как in vitro, так и in vivo. он представляет собой вегетирующие растения в форме рассады, микро- и
мини-клубни, а также картофель первого клубневого поколения, освобожденный от вирусной и другой инфекции методами биотехнологии и/или клонового отбора, предназначенный для получения оригинального семенного картофеля. При размножении оздоровленного картофеля исходным является сертифицированный пробирочный меристемный материал in vitro, а развивающиеся из него растения в дальнейшем используются для микроклонирования in vivo и получения рассады.
Основной проблемой на этапе размножения оздоровленного материала является низкая эффективность существующих способов. В связи с этим производится чрезвычайно мало рассады и мини-клубней, что не позволяет обеспечить производителей семенного картофеля достаточным количеством высококачественного исходного материала. Суть подходов, найденных нами для интенсификации этой стадии, заключается в методических особенностях разработанной ионитопонной технологии, которая дает возможность получить семенной материал картофеля круглогодично. среди основных этапов данной технологии можно выделить следующие.
Извлеченные из пробирок и высаженные в контейнеры с ионообменным субстратом меристемные растения подвергаются процессу микроклонирования in vivo путем отделения стерильными инструментами верхушечного черенка-регенеранта с двумя междоузлиями. В процессе роста
Рис. 5. Вегетация растений картофеля раннего сорта Лазурит на БТК. Стадия клубнеобразования
черенки укореняются, и растения через каждые 8—12 суток подвергаются новому черенкованию верхушечных и пазушных побегов в зависимости от скороспелости сорта.
после посадки черенков в питательную среду производится их поливпутем автоматического подтопления субстрата (рис. 1, 4—8). контейнеры с новыми черенковыми регенерантами размещаются рядом с контейнерами, в которых черенки уже укоренились в период более раннего черенкования, и таким образом модули Бтк заполняются новыми партиями укорененных регенерантов (рис. 2). внешний вид регенерантов представлен на рис. 3.
субстрат торговой марки «триона», который используется для укоренения черенковых регенерантов меристемных растений и развития их на ранних стадиях вегетативного онтогенеза, обладает рядом особенностей [5].
во-первых, минеральные компоненты ио-нообменников искусственной и естественной природы позволяют сбалансировать минеральный состав, не вызывающий гипертрофию и плазмолиз клеток раневых поверхностей черенков при помещении их на субстрат, и стимулируют процесс ризо-генеза.
во-вторых, входящий в состав субстрата инертный наполнитель, обладающий высокой гигроскопичностью (400%), позво-
ляет поддерживать оптимальный водный режим на различных стадиях вегетации растений путем дозированного автоматического полива, рассчитываемого программным путем по динамике влажности субстрата (рис. 1, 12—13).
в-третьих, разработанный минеральный субстрат свободен от бактериальной и грибковой микрофлоры.
в-четвертых, ионообменный субстрат три-она, в отличие, например, от вермикулита, легко поддается температурной коррекции путем термостатирования бтк (рис. 1, 3), что позволяет поддерживать оптимальный температурный режим в зоне корневой системы в различные фазы роста картофеля для увеличения столоно- и клубнеобразова-ния. в результате трех последовательных черенкований получается 156 черенковых регенерантов, укорененных на ионообменном субстрате в бТС в течение 32 суток. при достижении возраста 18 суток (линейные размеры регенерантов к этому периоду составляют 10—14 см), рассада готова к высадке на модуле биотехнического комплекса для получения мини-клубней или в поле для получения первого клубневого поколения.
как видно на рис. 4, конструкция модулей бтк предусматривает возможность изоляции от света нижних частей растения, где формируются столоны, а затем клубни картофеля. в случае попадания света столоны могут превращаться в надземные зеленые побеги и урожай значительно уменьшается.
полная вегетация растений проводится на тонком слое субстрата (3 см), поскольку
Рис. 6. Промышленный биотехнический комплекс БТК-1000 в СПК им. Дзержинского Речицкого района Гомельской обл. Сравнительные испытания выращивания урожая семенных клубней на ионообменном субстрате (справа) и традиционном торфогрунте (на переднем плане слева)
Рис. 7. Стратегическая схема картофелеводства в Клецком районе при эксплуатации БТК-1000 в СПК «Кухчицы» на полную расчетную мощность
субстрат триона способен обеспечить не менее 3-х вегетаций нелимитированным минеральным питанием. на стадии клубне-образования изоляционный материал черного цвета приподнимается и в тонком слое субстрата хорошо видны клубни (рис. 5).
разработанная ресурсосберегающая ионитопонная технология позволяет в закрытых помещениях проводить 3 вегетации для получения мини-клубней с производительностью 800—1000 штук с 1 м2 и одну вегетацию для производства рассады — 1,5 тыс. штук с 1 м2 [8—15].
для первичного семеноводства картофеля особенно важен коэффициент размножения исходного материала, который отражает процесс, позволяющий за более короткое время получить максимальное количество семенных оздоровленных клубней [16]. Более ранними нашими работами установлено, что ионитопонные семенные клубни в зависимости от размеров имеют различную полевую продуктивность по массе клубней, полученных с одного растения, но количество их практически одинаковое [7—10]. семенные клубни первого клубневого поколения из-за небольших размеров получили название мини-клубни (вес 10—20 г) и микроклубни (вес 1—5 г). оптимальный вес клубней первого клубневого поколения, полученных от меристем-ных растений и соответствующих гост, — 10—20 г. такой вес достигается при линейных размерах клубня, не превышающих 3 см в диаметре. в тонком слое субстрата на бтк образующиеся клубни хорошо видны и легко могут быть сняты при достижении заданных размеров. съем клубней проводится по утрам через каждые 3—4 дня или чаще, если нужны клубни меньших размеров. соблюдение технологических режимов позволяет получать 800—1000 клубней с 1 м2.
принцип увеличения коэффициента размножения при частичной периодической уборке клубней лег в основу промышленной ионитопонной технологии, которая внедрена и эксплуатируется в двух семеноводческих хозяйствах Беларуси. в ряде нии, занимающихся селекцией и семеноводством картофеля, также проводится опытно-производственная эксплуатация данной технологии: в институте картофелеводства нАн беларуси, гродненском
зональном институте растениеводства нан беларуси (г. щучин), всероссийском нии картофельного хозяйства (пос. коренево московской области). при нашем участии новую технологию осваивают в руп «брестская осхос нАн беларуси», впо «великолукская гсхА» (россия), оАо «российский банк оздоровленных сортов картофеля — соловецкие семена».
многолетний опыт работы в семеноводческом хозяйстве (спк «кухчицы» клецкого района минской обл. с 1998 г.) позволил оценить производительность одного промышленного биотехнического комплекса бтк—1000. теоретические расчеты и, отчасти, практические результаты позволили обосновать стратегическую схему картофелеводства в клецком районе при эксплуатации бтк на полную расчетную мощность. результаты расчетов представлены на рис. 7.
как следует из расчетов, к четвертому году можно получить семенной материал, достаточный для высадки на площади 2 тыс. га. при урожайности 200 ц/га можно собрать не менее 40 тыс. т картофеля, соответствующего по существующей классификации суперэлитной репродукции.
себестоимость полученного исходного материала картофеля в 3—7 раз ниже по сравнению с мировыми ценами. к сожалению, из-за недостаточного финансирования эксплуатация комплексов осуществляется в незаконченном варианте (лишь на 30% от расчетной мощности).
в соответствии с планом развития отрасли на 2006—2010 гг. в картофелеводстве республики за пятилетие планируется выйти на производство лишь 25 тыс. т высококачественного семенного материала, охватив при этом около 20 семеноводческих хозяйств с отведенными площадями под картофель не менее 200 га в каждом. с 2006 г. в пилотный проект включены спк «кухчицы» и спк им. дзержинского, в которых наша технология используется уже 8 лет (рис. 6).
в программу «Агропромкомплекс — развитие села» на 2005—2010 гг. включен проект по разработке аэропонной технологии производства мини-клубней картофеля. такая технология, как разновидность гидропоники, разработана еще в 80-е гг. и запатентована в россии Ао «дока» и бтц «Фито-тех» в авторском составе: б.в. габель, о.с. мелик^аркисов,
Л.Н. Цоглин и др. Однако данная технология не получила широкого распространения, поскольку ее использование затруднено даже не из-за технических сложностей реализации, а из-за низкого качества получаемого первичного материала.
Известно, что картофель — культура, требующая определенной влажности почвы, на которой она выращивается. лучше всего для нее подходят супесчаные почвы, гидротермический режим которых позволяет клубням накапливать достаточное количество сухого вещества, вызревать и иметь хорошую всхожесть. При аэро-
понной технологии корневая система и темновые побеги — столоны — находятся в мелкодисперсной водно-солево-воздуш-ной среде при 100% влажности. Поскольку картофель — не водная культура, то такие стрессовые условия не позволяют формировать качественные клубни, требования к которым регламентированы строгими стандартами [6].
все эти проблемы решены в ионитопон-ной технологии с применением сыпучих ионообменных субстратов многоразового использования, сбалансированных по факторам роста для растений картофеля,
в которых создается наиболее оптимальный водно-воздушный режим для столо-но- и клубнеобразования [5, 8].
К сожалению, наши результаты и накопленный опыт их внедрения не нашли должной оценки и не приняты к широкому использованию. Однако мы продолжаем заниматься совершенствованием технологии первичного семеноводства картофеля, патентованием полученных результатов и надеемся, что такая перспективная разработка будет востребована для успешного развития картофелеводства в Республике Беларусь.
Литература
1. Перспективы развития картофелеводства // Материалы белорусско-голландского семинара, 1999.
2. Методические рекомендации по оздоровлению семенного картофеля. Мн., 1988.
3. Банадысев С.А. Семеноводство картофеля: организация, методы, технологии. Мн., 2003.
4. Блоцкая Ж.В., Сильванович H.A., Зубкевич О.Н. и др. Оптимизация приемов оздоровления, размножения и защиты семенного картофеля от вирусной инфекции: Методические указания. Мн., 1996.
5. Янчевская Т.Г., Ольшаникова А.Л., Мурашко С.В. и др. Получение безвирусной рассады картофеля по ионитопонной технологии в биотехнических системах. Мн., 2004.
6. ГОСТ СТБ 1224-2000. Постановление Госстандарта РБ от 22.05.2000 г. № 14.
7. Янчевская Т.Г. Новый способ круглогодичного производства мини-клубней картофеля в закрытых помещениях для семеноводства // Новейшие агротех-нологии. М., 1999. С. 78-92.
8. Янчевская Т.Г., Бобров В.А., Ольшаникова А.Л. Патент РБ № 5981 на изобретение «Способ круглогодичного производства мини-клубней картофеля для первичного семеноводства».
9. Янчевская Т.Г. Ионитопонная технология для первичного семеноводства картофеля // Картофель и овощи, 2002, № 1. С. 31—32.
10. Янчевская Т.Г., Ольшаникова А.Л., Вербицкая H.A. Оптимизация режимов получения мини-клубней картофеля на безвирусной основе в закрытых помещениях / Материалы IV съезда ОФР РАН, Москва, 7—9 ноября 1999 г. С. 703.
11. Янчевская Т.Г., Бобров В.А. Имитационная модель оптимизации получения мини-клубней картофеля в закрытых помещениях / Материалы III Международной научн. конф. — Регуляция роста, развития и продуктивности растений, 2003. С. 185—186.
12. Янчевская Т.Г. Биотехнология размножения исходного материала для первичного семеноводства картофеля / Материалы Международной юбилей-
ной научн.-практ. конф., посвященной 75-летию БелНИИ картофелеводства, 2003. С. 70-75.
13. Янчевская Т.Г., Ольшаникова А.Л., Вербицкая H.A., Гриц А.Н. Анализ качества мини-клубней, полученных разными способами для целей первичного семеноводства картофеля / Материалы конф., посвящен. 75-летию БелНИИ картофелеводства, 2003. С. 93-102.
14. Янчевская Т.Г., Ольшаникова А.Л., Вербицкая H.A., Милькевич Ж.А., Мытько Л.В. Получение безвирусных мини-клубней картофеля в условиях защищенного грунта // Сельскохозяйственная биотехнология / Материалы II Международной научн.-практ. конф., Горки, 2002. С. 217—222.
15. Янчевская Т.Г., Ольшаникова А.Л., Милькевич Ж.А., Вербицкая Н.А., Сив-цевич Н.И. Преимущества ускоренного размножения меристемных эксплан-тов картофеля in vivo на твердых субстратах / Материалы Международной конф. «Молекулярные механизмы генетических процессов и биотехнология», Москва, 2001. С. 751—752.
16. Альсмик П.И., Амбросов А.Л., Вечер А.С. Физиология картофеля. Мн., 1979.
Summary
The all-round motivation of way the growing of potato in controlled conditions of soilles-culture for production technologies of getting virus free mini-tubers on low prime cost in contrast with world prices were given. This is reached to the account of use balanced on the optimum for plants of potatoes of artificial soils on the base synthetic and ceolit-contains ion-exchange, warm-up root system air-conditioning during the vegetation, automatic maintenance technological reglaments by the programmed way.
Using an production technology will allow greatly intensively primary seed-production and for using the scheme reproduction of cycle on 4-h year.
