Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по биологии  

На правах рукописи

КУЗНЕЦОВ ИВАН ИВАНОВИЧ

ПРОДУКТИВНЫЙ, ФОТОСИНТЕТИЧЕСКИЙ И АДАПТИВНЫЙ ПОТЕНЦИАЛ СОРТОВ СОИ СЕВЕРНОГО ЭКОТИПА И ЕГО РЕАЛИЗАЦИЯ В УСЛОВИЯХ

ЦЕНТРАЛЬНО-ЧЕРНОЗЕМНОГО РЕГИОНА РОССИИ

03.01.05. - физиология и биохимия растений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата сельскохозяйственных наук

Орёл - 2012

Диссертационная работа выполнена в ФГБОУ ВПО Орловский государственный аграрный университет

Научный руководитель	доктор сельскохозяйственных наук, профессор Амелин Александр Васильевич
Официальные оппоненты	Пузина Тамара Ивановна доктор биологических наук, профессор ФГБОУ ВПО Орловский государственный университет, заведующая кафедрой ботаники Бобков Сергей Васильевич кандидат сельскохозяйственных наук, ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт зернобобовых и крупяных культур Россельхозакадемии, заведующий лабораторией физиологии и биохимии растений
Ведущая организация	ФГБОУ ВПО Брянская государственная сельскохозяйственная академия

Защита диссертации состоится 24 мая 2012 года в 1430 ч. на заседании Диссертационного совета ДМ 220.052.01 в Орловском государственном аграрном университете по адресу: г. Орёл, ул. Генерала Родина, д. 69.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки Орёл ГАУ (г. Орёл, бульвар Победы, д. 19)

Автореферат разослан 24 апреля 2012 года и размещен на официальном сайте ФГБОУ ВПО Орловский государственный аграрный университет и на сайте ВАК при Минобрнауки РФ

Просим прислать отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, ученому секретарю диссертационного совета ДМ 220.052.01 Факс: 8(4862) 43-13-01, e-mail dissovet-orelsau@yandex.ru.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Л.П. Степанова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Средний уровень прибыли, полученной в США за последние 30-50 лет от внедрения новых сортов пшеницы, кукурузы, сорго, хлопка и сои равен 1% в год, а их вклад в урожай составляет более 50% (Созинов, 1988; Жученко, 1990; Шевелуха, 1993).

Однако потенциальная продуктивность сельскохозяйственных растений в настоящее время реализуется не более чем на 20-30% по причине низкой устойчивости возделываемых сортов и гибридов к биотическим и абиотическим факторам среды, наряду с неоптимальными условиями культивирования (Молчан и др., 1996; Жученко, 2008). Поэтому требуются сорта нового поколения, формирующие не только высокий, но стабильный и качественный урожай. Их создание невозможно без использования физиологических знаний по таким вопросам как рост и развитие, фотосинтез, устойчивость (Физиологические основы селекции растений / Под ред. Удовенко В.Г. и Шевелухи В.С., 1995).

Весьма актуально это и для сои, особенно в связи с созданием сортов северного экотипа, так как эффективность их возделывания пока остается низкой. В данном случае необходимы комплексные физиологические исследования биологического потенциала растений и выявление эффективных путей его реализации средствами селекции.

Цель исследований - определить продуктивные, фотосинтетические и адаптивные возможности растений сои северного экотипа и обосновать их параметры у перспективного сорта для условий Центрально- Черноземного региона России.

Задачи исследований:

-изучить особенности роста и развития сортов сои;

-выявить морфологические особенности их растений;

-установить сортовые различия по фотосинтетической деятельности растений;

-определить потенциальную, максимально возможную и фактическую урожайность семян у сортов сои в условиях региона;

-обосновать перспективные пути совершенствования сортов сои северного экотипа для условий Центрально-Черноземного региона России;

-выявить источники высокой активности фотосинтетической деятельности для использования в селекции культуры.

Научная новизна. Впервые изучен продуктивный, адаптивный и фотосинтетический потенциал сортов сои северного экотипа в условиях Центрально-Черноземного региона России; определены степень и характер влияния на реализацию биологического потенциала сортовых особенностей растений, агроценотических, природно-климатических и погодных условий произрастания; выявлены особенности начального роста стебля и корня у 7, 14 и 21 суточных проростков и их влияние на последующее развитие растений; показан характер накопления и распределения сухой массы по органам растений; в полевых условиях на интактных растениях в режиме реального времени  впервые изучена активность световых (квантовый выход разделения зарядов в фотосистеме II) и темновых реакций фотосинтеза (интенсивность фотосинтеза) сортов сои северного экотипа; выявлена зависимость интенсивности фотосинтеза от водного и температурного режима, освещенности растений и концентрации СО2 в воздухе.

Практическая значимость работы. Установлена потенциальная (6,11т/га), максимально возможная (4,99т/га) и фактическая (3,19т/га) урожайность семян у сортов сои северного экотипа в условиях Центрально-Черноземного региона России. На основе морфофизиологического и биохимического анализа выделены наиболее эффективные для возделывания в регионе сорта Свапа и Окская, а с учетом генотипических особенностей их растений определены и обоснованы оптимальные параметры у перспективного сорта, как цели селекции. Проведена оценка 24 коллекционных образцов сои ВНИИЗБК, в результате которой для селекции культуры предложены источники высокой активности фотосинтетической деятельности (сорта Светлая, Касатка, Малетка).

Апробация работы. Материалы диссертации представлены и доложены на: Первом Всероссийском молодежном инновационном конвенте (Москва, 2008); Втором Всероссийском молодежном инновационном конвенте (Санкт-Петербург, 2009); региональной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Неделя науки Орел ГАУ (Орёл, 2010); Всероссийской конференции Современные аспекты структурно-функциональной биологии растений и грибов (Орёл, 2010); втором этапе Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых аграрных вузов Центрального федерального округа в номинации Сельскохозяйственные науки (Курск, 2011); на третьем финальном этапе Всероссийского конкурса на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых аграрных вузов Центрального федерального округа в номинации Сельскохозяйственные науки (Орёл, 2011); Конкурсе Департамента образования, культуры и спорта Орловской области Лучшая научно-исследовательская работа молодых ученых 2011 (Орёл, 2011).

Публикация результатов исследований. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе в рекомендованных изданиях ВАК Минобразования РФ - 3.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 151 страницах. Включает в себя: обзор литературы, экспериментальную часть из 4 глав, заключение, выводы, предложения по использованию результатов исследования, список литературы и приложения. В работе содержится 37 таблиц, 36 рисунков. Список литературы включает 246 литературных источников, из которых 29 на иностранных языках.

*****

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю доктору сельскохозяйственных наук Амелину Александру Васильевичу за всестороннюю методическую помощь и научные консультации по работе; коллективам ЦКП Генетические ресурсы растений и их использование и отдела Проблемных исследований сельского хозяйства Орел ГАУ, а также ведущему научному сотруднику лаборатории селекции зернобобовых культур ВНИИ ЗБК Зайцеву Валентину Николаевичу, за содействие в подборе опытного материала и проведении оценки коллекционных образцов в селекционном севообороте.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Проведен всесторонний анализ научных данных по вопросам хозяйственной значимости культуры сои, ее биологических и морфофизиологических особенностей, роли физиологии растений в создании новых сортов.

2. ОПЫТНЫЙ МАТЕРИАЛ, МЕТОДИКА И УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования были проведены в рамках тематического плана кафедры растениеводства и Центра коллективного пользования Орел ГАУ Генетические ресурсы растений и их использование в соответствии с заданием Минсельхоза РФ Разработка физиологических способов и методов селекции зернобобовых и крупяных культур на основе инновационных технологий.

Опытный материал выращивали в условиях полевого опыта на делянках, площадью 10 м2 в 4-х кратной повторности при норме высева 0,6 млн. шт./га, размещение делянок - рендомизированное. Тип почв опытного участка - серые лесные, среднесуглинистые по механическому составу.

Для выявления потенциальных возможностей продукционного процесса изучаемых сортов сои были устранены ценотическое взаимодействие растений (на 1 м2 их располагалось по 5 штук) и влияние на них сорняков, вредителей и болезней.

Объектами исследований являлись 8 сортов сои северного экотипа: Белгородская 48, Воронежская 31 (сорта белгородской и воронежской селекции); Ланцетная, Свапа (сорта орловской селекции); Магева, Окская (сорта - рязанской селекции); Припять, Ясельда (сорта белорусской селекции). Кроме того была проведена оценка световых и темновых реакций фотосинтеза у 24 коллекционных образцов сои ВНИИ ЗБК.

Чистую продуктивность фотосинтеза (ЧПФ) и фотосинтетический потенциал (ФП) учитывали по методике, предложенной Ничипоровичем с сотрудниками (1961). Активность световых и темновых реакций фотосинтеза определяли в режиме реального времени в полевых условиях на интактных растениях, используя прибор mini-PAM (Bilger, Schreiber, Bock, 1995) фирмы Walz и партотивный газоанализатор LI-6400 фирмы LI-COR. Площадь листьев учитывали весовым методом (Корнилов, 1971) с помощью фотопланиметра LI-3000C (фирма LI-COR). Содержание хлорофилла и каратиноидов определяли по методике, предложенной под ред. Третьякова (1982), применяя спектрофотометр СФ-2000. Дисперсионный и корреляционный анализы проводили согласно Методика полевого опыта (Доспехов, 1979) с использованием персонального компьютера.

Годы исследований по условиям вегетации растений существенно различались между собой. В 2009 и 2011 годах погодные условия по увлажнению и температурному режиму в целом отвечали биологическим требованиям культуры сои (ГТК составлял 1,19 ), а в 2010 году были для нее экстремальными - в период формирования генеративных органов отмечалась выраженная засуха (ГТК составлял 0,50).

3. ОСОБЕННОСТИ РОСТА И РАЗВИТИЯ РАСТЕННИЙ У СОРТОВ СОИ СЕВЕРНОГО ЭКОТИПА

Показано, что интенсивность начального линейного роста корешка у проростков сои в первые десять дней развития почти в 2 раза превышает росток. Но затем характер роста существенно меняется: на 21 день развития интенсивность линейного роста корешка была на 61% меньше, чем ростка (рис.1).

Рисунок 1. Ц Интенсивность начального линейного роста корешка и ростка у проростков сои, среднее по 2-м сериям лабораторных опытов

В первые 14 суток наиболее активно проростки развивались у сортов орловской и белорусской селекции (табл. 1). В результате они имели самую большую длину стебля (в среднем 18,9см) и корня (14,8см).

Таблица 1 Ц Длина корня и ростка (см) у проростков разных сортов сои, среднее по 2 Цм сериям лабораторных опытов

Сорта	Время учета
	7-е сутки		14-е сутки		21-е сутки		зеленая спелость бобов
	корешок	росток	корешок	росток	корешок	росток	стебель
белгородской и воронежской селекции
Белгородская 48	4,3	2,9	13,2	16,7	17,0	29,7	79
Воронежская 31	4,8	3,0	14,1	17,5	19,8	32,1	94
орловской селекции
анцетная	5,5	2,9	14,2	18,7	18,3	22,6	77
Свапа	4,8	3,2	15,4	19,1	19,8	29,5	90
рязанской селекции
Магева	3,8	2,5	12,6	17,5	19,5	26,4	75
Окская	4,1	2,7	12,8	16,7	18,5	22,3	87
белорусской селекции
Ясельда	5,1	3,1	14,9	19,0	18,9	24,8	85
Припять	4,1	2,8	13,7	17,0	16,2	27,5	79
НСР01	0,29	0,21	0,49	0,21	1,05	2,41	5,3

В дальнейшие периоды развития растений лидерство принадлежало сортам белгородской и воронежской селекции, которые во время цветения по длине стебля превосходили орловские сорта в среднем на 31%, рязанские - на 16%, а белорусские - на 13%, хотя в фазу зеленой спелости бобов их преимущества были существенно ниже.

Однако, по накоплению сухого вещества сортовые различия проявлялись по другому: на 7 сутки развития проростков интенсивность накопления сухого вещества стеблем у сортов белорусской селекции составляла 34мг/сутки, тогда как у сортов орловской, рязанской, белгородской и воронежской селекций ее величина была в среднем на 20% меньше. В результате сухая масса ростков у белорусских сортов достигала 0,24г, а у другихЦ 0,18г.

В последующие две недели устойчивое лидерство уже принадлежало сортам рязанской селекции. По величине сухой массы ростков на 21 сутки они превосходили белгородские и воронежские сорта в среднем на 16%, орловские - на 25%, а белорусские - на 26%.

А в фазу зеленой спелости бобов наибольшим значением этого показателя уже отличались белгородские и воронежские сорта. Величина надземной сухой массы их растений формировалась в среднем на 43% больше по сравнению с другими сортами. При этом  самой большой долей сухой массы бобов в целом растении характеризовались сорта белорусской и рязанской селекции (рис. 2)

Рисунок 2. - Процентное соотношение массы различных органов растений у сортов сои в фазу зеленой спелости, в среднем за 2009-2011гг.

Накопление большого количества сухой массы органами растений сои в значительной степени было обусловлено продолжительностью их вегетации, которая составляла в годы исследований в среднем 115 дней. Наибольшим вегетациионным периодом характеризовались белгородские, воронежские (122 дней) и белорусские (118 дней) сорта, а наименьшим - орловские (114 дней) и рязанские  (107 дней). В результате последние достигали уборочной спелости в конце августа и начале сентября, тогда как белорусские, белгородские и воронежские - лишь к середине или концу сентября, что не отвечает основным требованиям производства и эффективного использования биоклиматических ресурсов Орловской области, где наиболее высокая ФАР и тепло отмечаются в июне-июле месяцах.

4. ОСОБЕННОСТИ ФОТОСИНТЕТИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ СОРТОВ СОИ СЕВЕРНОГО ЭКОТИПА

По результатам проведенных исследований, наиболее мощная площадь листьев (4296см2) формируется позднеспелыми более высокорослыми сортами белгородской и воронежской селекции. В фазу налива семян их преимущество по этому показателю над другими сортами составляло в среднем 67%. Больше всего они превосходили сорта рязанской селекции (в среднем на 98%), а затем орловской и белорусской селекции - (на 57 и 53%, соответственно), что было обусловлено, главным образом, формированием у растений большего количества листовых пластинок. В результате и ФП их растений был выше в среднем в 1,7 раза (табл.2).

Таблица 2 - Структура листовой поверхности растений у сортов сои в фазу зеленой спелости бобов, в среднем за 2009-2011гг.

Сорта	Количество листьев, штук	Средняя площадь одного листа с растения, см2	Площадь листьев с одного растения, см2	ФП, м2*сутки/раст.	УПП, г/дм2
Белгородской и Воронежской селекции
Белгородская-48	74	56,0	4145	46,0	0,79
Воронежская-31	88	50,5	4448	47,5	0,83
Орловской селекции
анцетная	54	44,3	2392	23,6	0,55
Свапа	58	53,5	3103	28,5	0,75
Рязанской селекции
Магева	49	46,5	2281	21,4	0,58
Окская	54	52,1	2817	30,7	0,55
Белорусской селекции
Ясельда	56	45,7	2558	30,4	0,83
Припять	53	54,7	2901	25,5	0,65
НСР05	3,4	1,3	46,3	0,6	0,03

УПП листье у сортов сои находилась в годы исследований в диапазоне 0,46-0,81 г/дм2, что в целом соответствует оптимальной величине данного показателя у перспективного сорта культуры (Алиев, 1995).

Белгородские и воронежские сорта формировали хотя большую, но менее активную листовую поверхность. По величине ЧПФ в период генеративного развития они уступали рязанским и орловским сортам в среднем на 21%, а белорусским на 7%. Проявляется четко выраженная отрицательная связь, чем больше у сорта формируется ФП, тем меньше его фотосинтетическая активность, и наоборот (рис. 3). Коэффициент корреляции между данными показателями составлял в годы исследований -0,58.

Рисунок 3. Ц Значение ФП и ЧПФ у сортов сои в фазу зеленой спелости бобов, в среднем за 2009-2011гг.

Показано, что наиболее эффективно фотосистема II листьев сои работает в период налива семян. Из изученных сортов культуры самыми высокими значениями этого показателя в период генеративного развития характеризовались, прежде всего, рязанские сорта, а потом белорусские. Сорта белгородской, воронежской и орловской селекции в данном случае занимали промежуточное положение (рис. 4).

Рисунок 4. Ц Эффективность квантового выхода света в фотосистеме II листьев сои в разные фазы роста и развития, в среднем за 2009-2011гг.

Содержание же хлорофиллов а+в в листьях сортов сои существенного влияния на световую фазу фотосинтеза не оказывало. К примеру, во время образования у растений плоского боба эффективность квантового выхода в ФСII у листьев всех сортов культуры находилось фактически на одном уровне - 0,55-0,57, тогда как содержание хлорофилла в сухой их массе было существенно различным (рис. 5).

Рисунок. 5 Ц Значение квантового выхода в фотосистеме II и содержание хлорофилла ла+в в листьях сортов сои в фазу плоского боба,

по данным 2009-2011гг.

С началом налива семян содержание пигментов у сортов сои резко убывает и к фазе зеленой спелости бобов становится в 1,6 раза меньше по сравнению с фазой плоского боба. При этом отношение хлорофилла ла к в меняется от 8,1до 10,5.(табл. 4).

Таблица 4 - Содержание различных пигментов (мг/г сухого вещества) в листьях сортов сои, среднее за 2009-2011г.

Сорта	Пигменты
	Хл а		Хл b		каротиноиды
	плоский боб	налив семян	плоский боб	налив семян	плоский боб	налив семян
белгородской и воронежской селекции
Белгородская 48	6,92	2,35	0,96	0,39	3,91	1,89
Воронежская 31	10,69	2,44	0,59	0,44	2,23	1,89
орловской селекции
анцетная	3,81	7,38	0,77	0,33	2,05	3,16
Свапа	11,66	2,68	0,38	0,54	2,50	1,91
рязанской селекции
Магева	9,55	9,42	1,09	0,66	2,88	2,48
Окская	7,71	10,13	0,96	0,81	3,04	2,82
белорусской селекции
Ясельда	11,02	4,89	2,37	0,56	1,87	2,44
Припять	8,55	5,59	1,55	0,57	2,26	3,31
НСР01	0,56	0,28	0,06	0,03	0,16	0,12

Содержание каротиноидов в листьях сортов сои в фазу плоского боба на 32%, а в период налива семян на 20% меньше, по сравнению с хлорофиллом ла+в. Но в отличие от хлорофилла, его количество в листьях в период налива семян фактически не изменяется - снижение составляло всего 3,9%. Наибольшее количество каротиноидов в период налива семян содержали листья белорусских и рязанских сортов, отличающиеся и самой высокой эффективностью усвоения квантов света.

По ИФ самые существенные генотипические различия отмечались в фазу плоского боба. Наиболее активно протекал газообмен в это время у рязанских сортов, которые по величине данного показателя превосходили сорта белорусской селекции в среднем на 7%, орловской - на 15%, белгородской и воронежской селекции - на 21% (рис. 6).

Рисунок 6. - Интенсивность фотосинтеза у различных групп сортов сои по фазам роста и развития, 2009-2011 год

При этом связь ИФ с эффективностью усвоения квантов света в фотосистеме II была незначительной (r=+0,51), а с транспирацией высокая (r=+0,98).

Рисунок. 7 - Интенсивность фотосинтеза и транспирации листьев растений сои в разные фазы роста и развития, в среднем за 2009-2011 гг.

Однако для эффективного продукционного процесса важно, чтобы высокая интенсивность фотосинтеза достигалась при более низкой транспирации. С учетом этого в 2011 году была проведена оценка 24 коллекционных образцов культуры, в результате которой с такими свойствами выделены сорта Светлая, Касатка, Малетка, рекомендованные для использования в селекции на высокую фотосинтетическую продуктивность (рис. 8).

Рисунок 8. - Интенсивность фотосинтеза и транспирации у коллекционных сортов сои

5. ПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ И ФАКТИЧЕСКИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРОДУКЦИОННОГО ПРОЦЕССА СОРТОВ СОИ СЕВЕРНОГО ЭКОТИПА

По результатам проведенных исследований, наиболее высокий потенциал семяобразования имеют сорта орловской, белгородской и воронежской селекции. В годы исследований у их растений формировалось в среднем 133 семязачатка. Сорта рязанской и белорусской селекции по данному показателю существенно им уступали - в среднем на 35%. Однако, в условиях Центрально-Черноземного региона России семенная продуктивность у одиночно растущих растений сои была в среднем на 19% ниже их биологического потенциала и составляла: у белгородских и воронежских у сортов 18,1г; орловских - 12,5г; рязанских и белорусских - 10,5 и 8,8г, соответственно.

Это позволило заключить, что потенциальная урожайность семян у сортов сои северного экотипа находится в среднем на уровне 6,1т, а максимально возможная в условиях Центрально-Черноземного региона России -4,99 т на га (рис. 9).

Рисунок 9. Ц Потенциальная, максимально возможная и фактическая урожайность семян у сортов сои

в условиях Центрально-Черноземного региона России

Фактическая же величина урожайности семян у сортов сои даже в годы с благоприятными погодными условиями достигала лишь 3,2т/га, что на 36% меньше максимально возможного в регионе.

Высокие урожайные свойства сортов белгородской и воронежской селекции объясняются, прежде всего, формированием у них большого количества семян вследствие низкой абортивности семязачатков, которая составляла в среднем 13%, тогда как у сортов рязанской, белорусской и орловской селекции ее величина была в среднем на 4% больше (табл. 5).

Таблица 5 - Величина элементов семенной продуктивности у опытных сортов сои, в среднем за 2009-2011гг.

Сорта	В среднем на растение, число			М1000 семян, г	Семенная продуктивность, г/раст.
	бобов	семян	семян в бобе
Белгородской и Воронежской селекции
Белгородская 48	68	115	1,7	182	20,92
Воронежская 31	43	111	2,6	155	17,21
Орловской селекции
анцетная	35	101	2,9	115	11,63
Свапа	66	118	1,8	114	13,42
Рязанской селекции
Магева	24	60	2,5	135	8,12
Окская	41	98	2,4	134	13,1
Белорусской селекции
Ясельда	29	49	1,7	145	7,12
Припять	48	76	1,6	140	10,63
НСР05	1,55	5,9	0,1	4,8	0,59

В результате эффективность семяобразования в годы исследований составляла: у белгородских и воронежских сортов 86%, а у орловских, рязанских и белорусских - 82%. Среди белгородских и воронежских сортов наиболее высокой эффективностью семяобразования отличался сорт Белгородская 48 (87,3%), у орловских - Ланцетная (83,8%), рязанских - Окская (87,2%), белорусских - Припять (84,7%).

Высокоурожайные белгородские и воронежские сорта отличались не только большим количеством, но и крупностью семян. По массе 1000 семян они превышали орловские сорта в среднем на 47%, рязанские - на 25%, белорусские - на 18%.

Но, для производства важна не только величина формируемого урожая, но и его качество. В опытах самые высокоурожайные белгородские и воронежские сорта содержали в семенах белка на 1,8%, а жира - на 2,2% меньше, соответственно по сравнению с сортами рязанской и орловской селекций, (рис. 10).

Рисунок 10. - Содержание белка и жира в сменах сортов сои,

в среднем за 2009-2011гг.

То есть орловские сорта имели превосходство над остальным по содержанию в семенах жира, а рязанские - белка. Причем, их преимущества больше всего проявлялись в сухую и жаркую погоду во время вегетации растений. В результате в 2010 засушливом году среднеурожайный сорт Свапа орловской селекции по сбору белка с единицы площади не уступал высокоурожайному сорту Воронежская 31, а по жиру существенно его превосходил. Из сортов рязанской селекции высокий сбор белка и жира обеспечивал сорт Окская.

6. АДАПТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СОРТОВ СОИ

СЕВЕРНОГО ЭКОТИПА

В агрономии под адаптивностью понимают способность растений сельскохозяйственных культур приспосабливаться к различным условиям произрастания и формировать при этом высокий и стабильный урожай.

По результатам проведенных исследований, урожайность семян сортов сои в годы исследований составляла в среднем 3,20 т/га, что является сопоставимым с урожайностью культуры в Амурской области на Дальнем Востоке. Наибольшая ее величина отмечалась в 2011 году, относительно благоприятному по увлажнению и тепловому режиму для растений сои, а наименьшая - в 2010 году, когда на протяжении почти всего периода генеративного развития стояла жаркая и сухая погода (рис. 11).

Рисунок 11. Ц Урожайность семян сои в условиях ЦЧР России в разные годы исследований

В этот год урожайность семян формировалась в среднем на 23% меньше, по сравнению с 2009 и 2011 годами. Это означает, что для получения, не только высоких, но и стабильных урожаев семян сои в регионе необходимо существенно повысить адаптивные возможности возделываемых сортов культуры.

В опытах наибольшая урожайность семян отмечалась у белгородских и воронежских сортов - (от 4,30 до 5,10 т/га), затем у орловских (2,40 - 4,10 т/га) и рязанских (2,30 - 3,0 т/га) и меньше всего ее величина была у белорусских сортов - 1,90 - 2,4 т/га. Но наибольшей стабильностью характеризовались сорта белорусской и рязанской, а не белгородско-воронежской селекции. Обнаруживается четко выраженная тенденция, чем выше у сорта формируется урожайность семян, тем менее она стабильна у сорта по годам (табл. 6).

Таблица 6 - Отклонение урожайности семян сои от средней по годам у различных групп сортов

Сорта	Урожайность семян, т/га	Отклонение от средней урожайности т/га
	2009-2011гг.	2009г.	2010г.	2011г.
белгородские и воронежские	4,72	+0,2	-0,4	+0,4
орловские	3,21	+0,9	-0,8	+0,2
рязанские	2,70	+0,3	-0,4	+0,2
белорусские	2,31	+0,1	-0,4	+0,1

Стабильность формируемого урожая у сортов сои существенно завесила от адаптивных свойств их фотосинтетической системы, за счет которой создается до 95 % сухого вещества растений (Ничипорович, 1971). Было в частности показано, что в течение суток наибольшая интенсивность фотосинтеза листьев у сортов сои проявляется с 10 до 12 часов дня, а затем её кривая выходит на плато и с 15 часов начинает резко снижаться (рис. 12).

Рисунок 12. - Суточное изменение интенсивности фотосинтеза листьев у сортов сои в фазу плоского боба

Такой суточный ход интенсивности фотосинтеза есть результат приспособления фотосинтетической системы растений к дневному их освещению. В специальных модельных опытах было показано, что все изученные сорта положительно реагируют на интенсивность освещения - при увеличении ее с 1300 до 1500моль наблюдается рост активности фотосинтеза листьев с 9,2 до 14,3 МольСО2/м2*с (рис. 13).

Коэффициент корреляции между интенсивностью фотосинтеза и освещенностью составлял+0,98. Полного светового насыщения фотосинтеза все сорта достигали при освещении 1300 - 1500моль.

Рисунок 13. - Зависимость интенсивности фотосинтеза сортов сои от интенсивности освещения

Это означает, что интенсивность света в Центрально-Черноземном регионе России не является лимитирующим фактором фотосинтеза у сортов сои, так как на протяжении всего генеративного периода развития растений ее величина находится на уровне 1400-1800моль и более. Тем не менее, целесообразно в данном случае создавать сорта более светолюбивые, в целях наиболее полного использования агроклиматических ресурсов региона.

Приспособление листьев к свету проявлялась и на самом растении: ИФ верхних листьев у сортов сои была в 1,4 раза выше, чем средних и в 3,2 раза, чем нижних. Низкая активность последних была обусловлена сильным их затенением и большим физиологическим возрастом. Это позволило сделать вывод, что у растений сои в период налива семян основная нагрузка по обеспечению их ассимилянтами ложится на листья расположенные в среднем и верхнем ярусах (рис. 14).

Рисунок 14. Ц Интенсивность фотосинтеза листьев сои в зависимости от яруса, среднее за 2009-2011гг.

Однако, по активности и эффективности использования поглощенных квантов света листьями сои отмечалась диаметрально противоположная картина. В данном случае наибольшей фотоактивностью характеризовались, прежде всего, листья нижних, а не средних и верхних ярусов. По величине квантового выхода в ФСII, листья нижнего яруса растений превосходили средние на 9%, верхние - на 30% (рис. 15).

Рисунок 15. Ц Величина квантового выхода в фотосистеме II у листьев сои разных ярусов, в среднем за 2009-2011гг.

Выраженная реакция фотосинтеза листьев сои отмечалась и на изменение в воздухе СО2. При увеличении концентрации диоксида углерода с 0,015 до 0,083% ИФ у сортов сои фактически росла прямолинейно, а когда его становилось в 4 раза больше, чем в воздухе, кривая ИФ выходила на плато и затем медленно снижалась. При этом, наиболее существенные сортовые различия по ИФ проявлялись при концентрации диоксида углерода 0,12% (рис. 16).

Рисунок 16. -Зависимость интенсивности фотосинтеза листьев сортов сои от концентрации СО2 в воздухе,

где - н Ц концентрация СО2 в воздухе равная 0,033%

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сорта сои, рекомендованные для возделывания в Центральных областях России обладают относительно высокими продуктивными, фотосинтетическими и адаптивными возможностями. У растений образуется в среднем до 109 семязачатков, что при полной их физиологической реализации может обеспечить свыше 15г семян на растение или 6,10 т на га. В тоже время биоклиматические ресурсы Орловской области позволяют получить максимально 4,99т/га. Фактическая же урожайность агроценозов даже в годы с благоприятными погодными условиями составляет в среднем 3,20 т семян на га с содержанием белка 43,5%, жира - 20,5%. Хотя это и ниже на 36% от максимально возможного в регионе, но сопоставимо по значению с основными соевыми регионами России Дальним Востоком и Краснодарским краем (Ран, 2009).

Формирование такого уровня урожайности и такими потребительскими качествами семян сои в условиях Центрально-Черноземного региона России достигается преимущественно за счет продолжительного вегетационного периода растений (в среднем 115 дней) и образования мощной листовой поверхности (1900см2/раст.). Наиболее высокая активность фотосинтетической деятельности растений проявляется в период генеративного развития, в частности, когда отмечается интенсивный налив бобов. Чистая продуктивность фотосинтеза в это время на 14%, а эффективность использования квантов света на первичные реакции фотосинтеза на 11% выше, по сравнению с фазой плоского боба. При этом молекулы хлорофилла листьев эффективнее всего усваивают кванты света, когда создаются благоприятные условия по увлажнению и температурному режиму (2009 и 2011гг.) и менее эффективно этот процесс протекает в засуху. Величина квантового выхода в ФСII листьев сои в 2010 засушливом году была в среднем на 7% ниже, по сравнению с 2009 и 2011 годами.

Среди изученных сортов сои северного экотипа по морфофизиологическим признакам и свойствам наиболее перспективными для региона признаны такие сорта как Свапа и Окская, отличающиеся высокой всхожестью семян, энергией прорастания и активностью начального роста.

Причем они характеризуются не только интенсивным ростом, но и развитием растений, в среднем на 5 дней раньше заканчивают вегетацию и при этом формируют относительно небольшую (2213см2/раст.), но фотосинтетически активную листовую поверхность: по ЧПФ и ИФ в фазу налива семян превосходили белгородские и воронежские сорта  в среднем на 13%.

Благодаря этим свойствам сорта сои Свапа и Окская за более короткий вегетационный период образуют хотя и не самую высокую (2,95т/га), но более стабильную и качественную урожайность. По содержанию белка и жира в семенах они превосходят белгородские и воронежские сорта в среднем на 1,0 и 1,8%, соответственно. В совокупности это позволило обосновать морфофизиологические параметры перспективного сорта сои, как цели селекции в Центрально-Черноземном регионе России.

ВЫВОДЫ

1.        Потенциальная урожайность сортов сои северного экотипа составляет в среднем 6,11т, а максимально возможная в условиях Центрально-Черноземного региона Росси 4,99т семян с гектара. Но в условиях производственного агроценоза данный потенциал реализуется на 52%, что позволяет получать 3,25 т/га семян с содержанием белка 43,5%, жира - 20,5%.

2.        Формирование такого уровня урожайности и потребительскими качествами в условиях региона достигается преимущественно за счет продолжительного вегетационного периода растений (в среднем 115 дней) и образования в фазу налива семян мощной листовой поверхности (в среднем 2441см2/раст.), с квантовым выходом фотосистемы II - 0,67 и интенсивностью фотосинтеза - 11,5мольСО2/м2*с.

3.        Наиболее высокая фотосинтетическая активность листьев у сортов сои отмечается в период массового налива семян - ЧПФ в это время на 14%, а эффективность использования квантов света в фотосистеме II на 11% выше, по сравнению с фазой плоского боба.

4.        Показано, что наиболее высокая активность темновой фазы фотосинтеза (ИФ) проявляется у листьев средних и верхних ярусов, а световой - нижних. Интенсивность поглощения молекул СО2 верхними листьями была в годы исследований на 46% выше, чем средних и нижних, а значение квантового выхода их ФС II наоборот была на 15% ниже.

5.        Фотосинтетическая активность листьев сои существенно зависит не только от сортовых особенностей растений, но и условий их произрастания. В 2010 засушливом году в фазу налива семян величина ЧПФ, КВРЗФСII и ИФ была в среднем на 5,5% меньше, по сравнению с 2011 годом, более благоприятном по увлажнению и температуре воздуха. Коэффициент корреляции между ИФ и освещенностью составил +0,98, а между ИФ и концентрацией СО2 в воздухе +0,56.

6.        Интенсивность падающего света на посевы сои и содержание в листьях хлорофилла не являются в регионе лимитирующими факторами фотосинтетической активности растений. Интенсивность фотосинтеза сортов сои выходит на плато при освещении 1300моль, тогда как ее величина в регионе во время генеративного развития растений достигает 1800моль и более.

7.        Содержание каротиноидов в листьях сортов сои в фазу плоского боба на 32%, а в период налива семян на 20% меньше, по сравнению с хлорофиллом ла+в. Но в отличии от хлорофилла, его количество в листьях в период налива семян практически не изменяется - снижение составляло всего 3,9% по сравнению с фазой плоского боба.

8.        Среди изученных сортов сои самой высокой потенциальной (7,20т/га) и фактической (4,60т/га) урожайностью семян, продолжительностью вегетационного периода (122 дня) и листовой поверхностью (3500 см2/раст.) характеризуются сорта Белгородская 48 и Воронежская 31.

9.        Орловские и рязанские сорта, такие как Свапа и Окская, формируют хотя и не самую высокую (в среднем 2,95т/га), но более стабильную и качественную урожайность семян за меньший вегетационный период. Продолжительность вегетационного периода у них была в среднем на 13 дней короче, а содержание белка и жира в семенах в среднем на 1,0 и 1,8% больше по сравнению с белгородскими и воронежскими сортами.

10.        Сорта Свапа и Окская отличаются также высокой активностью начального роста и формированием относительно небольшой (2213см2/раст.), но фотосинтетически активной листовой поверхности. По энергии прорастания, всхожести семян, интенсивности линейного роста и ЧПФ они превосходили белгородские и воронежские сорта, в среднем на 14%.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.        В Орловской области для организации эффективного производства сои целесообразно использовать сорта Свапа и Окская, которые характеризуются относительно коротким вегетационным периодом (в среднем 109 дней) некрупными семенами (масса 1000 семян в среднем 124г) и высоким содержанием в них белка (43,7%) и жира (20,6%).

2.        Для создания сортов сои с высокой фотосинтетической активностью и продуктивностью рекомендуется использовать в качестве исходного материала сорта Касатка, Светлая, Малетка, которые наряду с высокой интенсивностью фотосинтеза характеризуются и низкой интенсивностью транспирации.

3.        Полученные экспериментальные данные по потенциальной продуктивности, росту и развитию, фотосинтетической деятельности сортов сои северного экотипа предлагается использовать в научных исследованиях по изучению физиологических особенностей сортов и других зернобобовых культур, а также в учебном процессе при подготовке в высших учебных заведениях студентов агрономических специальностей.

СПИСОК НАУЧНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1.        Петрова, С.Н. Ресурсосберегающие технологии в растениеводстве на основе полезных микробиологических сообществ / С.Н. Петрова, Н.В. Парахин, Н.А. Прилепская, В.И. Толубеева, Ю.В. Кузмичева, Ю.В. Моисеенко, И.И. Кузнецов, А.В. Амелин // I Всерос. молодежный инновационный конвент (100 инноваций идеи изобретения проекты). - Москва, 2008. - С. 162-163.

2.        Петрова С.Н. Производство белка в союзе с микробами / С.Н. Петрова, Н.В. Парахин, А.В. Амелин, Ю.В. Кузмичева, Ю.В. Моисеенко, И.И. Кузнецов // II Всерос. молодежный инновационный конвент (Лучшие разработки Зворыкинского проекта в 2009 году). - Санкт-Петербург, 2009. - С. 145-146.

3.        Кузнецов И.И. Особенности начального роста у разных сортотипов сои/ И.И. Кузнецов, А.В. Амелин // Сб. Всероссийская конференция. Современные аспекты структурно-функциональной биологии растений и грибов. Орел, 2010. - С. 119-123.

4.        Амелин, А.В. Изменение показателей качества семян у сортов гороха полевого в результате селекции на семенную продуктивность/ А.В. Амелин, И.В. Кондыков, Е.И. Чекалин, И.И. Кузнецов // Вестник ОреГАУ №3, 2009. - С. 35-38.

5.        Кузнецов, И.И. Онтогенетические и генотипические особенности протекания фотосинтеза у растений сои/ И.И. Кузнецов, А.В. Амелин // Сб. Инновационный потенциал молодых ученых - АПК Орловской Области Орел: изд-во ОреГАУ, 2010. - С. 155-159.

6.        Амелин, А.В. Особенности начального роста у разных сортотипов сои / А.В. Амелин, И.И. Кузнецов, В.Н. Зайцев // Вестник ОреГАУ №6, 2010. - С. 131-134.

7.        Амелин, А.В. Потенциальные возможности продукционного процесса у современных сортов сои различных агроэкологических групп в условиях Центрально-Черноземного региона России / А.В. Амелин, И.И. Кузнецов // Сб. Новые сорта сельскохозяйственных культур - составная часть инновационных технологий в растениеводстве. Орел, 2011. - С. 411-416.

8.        Амелин, А.В. О необходимости и возможностях использования показателей фотосинтеза в селекции сельскохозяйственных культур / А.В. Амелин, А.Н. Фесенко, И.В. Кондыков, Е.И. Чекалин, В.И. Панарина, И.И. Кузнецов, Т.В. Бойко, С.Н. Шепелева // Сб. по материалам докладов VII съезда Общества физиологов растений России Физиология растений - фундаментальная основа экологии и инновационных биотехнологий. Нижний Новгород, 2011. - С. 49-50.

9.        Амелин, А.В. Особенности фотосинтеза в онтогенезе различных по эколого-географическому происхождению сортов сои / А.В. Амелин, И.И. Кузнецов, Е.И. Чекалин // Вестник ОреГАУ №3, 2011. Ц С. 2-5.

10.        Кузнецов, И.И. Потенциальные возможности продукционного процесса растений у сортов сои северного экотипа в условиях Центрально-Черноземного региона России / И.И. Кузнецов, А.В. Амелин // Вестник ОреГАУ №2, 2012. Ц С. 11-13.

Подписано в печать 23.04.2012 г. Формат 60х90/16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс. Усл. печ. л. 1,0. Заказ 58. Тираж 100 экз. Отпечатано в издательстве Орел ГАУ, 2012, Орел, бульвар Победы, 19

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по биологии