Известия РАН. Серия биологическая, 2023, № 3, стр. 321-331

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объектами исследования служили листья и клубни 22 сортов картофеля (S. tuberosum) различных групп спелости и генетического происхождения. Исследования проводили на опытном участке Самарского НИИСХ им Н.М. Тулайкова – филиала СамНЦ РАН в 2019–2021 гг. Высадку клубней проводили во второй декаде мая. Растения высаживали в четырех повторностях по 50 клубней каждая и выращивали без орошения; почва: чернозём террасовый, обыкновенный, малогумусный, среднемощный, тяжелосуглинистый.

Фенологические наблюдения и учеты продуктивности проводили согласно методическим указаниям (Симаков и др., 2006).

Отбор проб листьев проводили на десяти случайно выбранных растениях одного сорта в период полного цветения (июль). Для биохимических анализов из усредненной массы боковых долей листа составляли навески 0.1–0.5 г в трех повторностях для каждого вида анализа. Пробы листьев отбирали в первой половине дня.

Уборку урожая осуществляли одновременно для всех сортов картофеля в конце августа. Урожайность каждого сорта определяли в т на 1 га, количеству клубней на одно растение (шт.) и среднему весу одного клубня (г). Коэффициенты bi и Si² определяли по формулам S. Eberhart, W. Russel (1966) в изложении В.З. Пакудина и Л.М. Лопатиной (1984):

bi = ${{{{Y}_{{ij}}}{{I}_{j}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{Y}_{{ij}}}{{I}_{j}}} {\Sigma I_{j}^{2}}}} \right. \kern-0em} {\Sigma I_{j}^{2}}},$ где Y_ij – урожай i-того сорта в j‑году, I_j – индекс условий выращивания как отклонение среднего урожая в данном году от среднего значения в опыте; Si² = [Σ$\delta _{{ij}}^{2}$/(n – 2)], где δ_ij – отклонение фактических урожаев от теоретических, n – число степеней свободы.

Линейные размеры и площадь листа измеряли в 10 боковых долях листа у 5 растений каждого сорта. Удельную поверхностную плотность листьев (УППЛ) рассчитывали как отношение сухой массы листа (мг) к площади поверхности листа (см²).

Для подсчета числа устьиц и определение их длины листья предварительно фиксировались в 3.5%-ном глутаровом альдегиде, приготовленном на фосфатном буфере. Подсчет числа устьиц проводили на нижней стороне листа с помощью светового микроскопа не менее чем в пяти полях зрения для каждой поверхности листа и выражали в шт. на см² листа. Одновременно с подсчетом устьиц определяли их длину и рассчитывали среднее значение (мкм).

Содержание воды в листьях рассчитывали после высушивания сырой массы (сыр. м.) листьев до постоянного веса при температуре 60°С и выражали в % от сыр. м.

Содержание пигментов определяли спектрофотометрически в ацетоновом экстракте (90%) при λ – 662, 645 и 470 нм. Расчет концентрации хлорофиллов (Хл) а, b и каротиноидов (Кар) проводили в соответствии с рекомендациями Lichtenthaler (1987). Листья (0.5 г сыр. м.) гомогенизировали в фарфоровой ступке вручную с 5 мл ацетона. Все операции проводили при температуре 4°С. Пигменты экстрагировали до полного обесцвечивания навески и фильтровали через стеклянный фильтр. Конечный объем экстракта составлял 50 мл. Количество Хл выражали как сумму Хл а + b.

Результаты представлены в виде средних значений и их стандартных ошибок, в отдельных случаях был рассчитан коэффициент вариации (c_v). Взаимосвязь между показателями урожайности и условиями вегетации устанавливали с помощью корреляционного анализа Спирмена.

Для доказательства значимых различий между средними значениями морфо-физиологических показателей при нормальном распределении данных применяли однофакторный дисперсионный анализ (ANOVA) с использованием поправки Бонферрони, а при отклонении от нормального распределения – критерий Краскела–Уоллиса. Для установления различий между вычлененными группами растений картофеля по экологическим или экономическим (урожайность) признакам был использован дискриминантный анализ. Расчеты выполняли, используя программы Statistica 6.0 forWindows, Past 3, Statgraphics Centurion XVI и Microsoft Excel 2007.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Климатические условия периода вегетации картофеля 2019–2021 гг. отличались неоднородностью. В 2019 г. период всходов, нарастания надземной массы растений и начала цветения (первая декада июня) характеризовался высокими температурами воздуха и недостаточностью увлажнения. Так, средняя температура июня была на 0.9°С выше среднего многолетнего значения, при этом за декаду выпало лишь 6 мм осадков, что было ниже климатической нормы в 9 раз (табл. 1).

Средняя температура воздуха в июле, напротив, была ниже нормы на 1.3°С, а осадков выпало на 11 мм больше. В августе средняя температура составила 17.9°С, что на 1.4°С было ниже нормы, однако осадков выпало в соответствии со средними многолетними значениями. Климатические условия вегетационного периода 2020 г. были крайне неблагоприятными для роста и развития растений картофеля. В периоды завязывания клубней и нарастания их массы – в июне и июле – осадков выпало ниже нормы на 26 и 85%, соответственно. При этом температура воздуха в июле была выше средних многолетних значений на 2.4°С, а в первой и второй декадах температура воздуха составила в среднем 25.1 и 24.9°С соответственно, что выше средних многолетних значений на 4.3 и 4.0°С. Вегетационный период 2021 г. в целом характеризовался более высокими температурами летних месяцев как по отношению к норме, так и по отношению к 2019 и 2020 гг. Кроме того, более низким в сравнении со средними многолетними значениями было количество осадков, за исключением июня. Как следствие влажность почвы в верхнем слое на уровне 20 см в исследуемый период постоянно уменьшалась. Например, в 2021 г. она была в 1.4 раза ниже в сравнении с 2019 г. Таким образом, в течение 3-х лет средняя температура воздуха в три летних месяца была выше нормы в среднем на 0.7°С, а количество осадков было ниже – в среднем на 33 мм.

Средние за три года значения урожайности образцов картофеля и ее элементов с разными сроками созревания – раннеспелые (р), среднеранние (ср), среднеспелые (сс) и позднеспелые (сп) представлены в табл. 2.

Средняя урожайность составила 19.4 т/га. Максимально стабильной урожайностью в различные по агроклиматическим условиям годы характеризовались с. Краса Мещеры (c_v = 12.5) и с. Кумач (c_v = 16.7). Наиболее вариативные показатели урожайности среди ранних и среднеранних сортов оказались у с. Барин (c_v = 53.4) и с. Сударыня (c_v = 37.4). Наибольшая урожайность выявлена у трех сортов – с. Краса Мещеры, с. Дебют и с. Сиверский. Количество клубней на одно растение и вес клубня по результатам трех лет у ранних, среднеранних и у среднеспелых сортов оказались одинаковыми: число клубней – 6.5 шт., вес клубня – 70.9 и 68.2 г, соответственно. Однако в контексте увеличения средней температуры в летние месяцы 2019–2021 гг. значение урожайности всех сортов картофеля снижалось (рис. 1). Урожайность картофеля складывается из количества клубней на одно растение и средней массы клубня. При общем снижении урожайности наблюдалось снижение среднего веса клубня с 95г (2019 г.) до 47 г (2021 г.) при одинаковом количестве клубней на 1 растение. Установлена отрицательная взаимосвязь между урожайностью и температурой воздуха (R = –0.63, при p = 0.06) и положительная – между урожайностью и содержанием влаги в почве (R = = 0.95, при p = 0.01).

Рис. 1.

Средние значения урожайности (а) 22 сортов картофеля и средней температуры воздуха (б) за три летних месяца. 1 – 2019, 2 – 2020, 3 – 2021.

Анализ коэффициента регрессии сорта на индекс среды (bi) показал существенные различия между сортами и группами спелости. Так среди ранних сортов значения bi варьировали в интервале 0.05–2.30, а среди среднеспелых – в интервале 0.3–3.89. Среди наиболее урожайных сортов урожайность снижалась в ряду с. Краса Мещеры → → с. Сиверский → с. Дебют, а показатель экологической пластичности увеличивался в ряду с. Краса Мещеры → с. Дебют → с. Сиверский (1.09 → 1.69 → → 2.07). Как правило, при значении bi >1, сорт относится к интенсивному типу. При значениях bi ≈ ≈ 1 сорт характеризуется высокой, а при bi < 1 – низкой экологической пластичностью.

Стабильность урожайности сорта Si² в различных условиях определяется квадратическим отклонением фактических показателей урожайности от теоретически ожидаемых: чем меньше Si², тем стабильнее урожайность. Согласно данным табл. 2 показатели стабильности различались на несколько порядков в зависимости от сорта (0.02–88.61). Половина исследованных сортов относится к стабильному и средне-стабильному типу (Si² = 0.02–12.38).

Оценка роста по длительности прохождения фенологических фаз показала, что продолжительность фазы от посадки до полных всходов у большинства сортов составляла 23–25 сут. вне зависимости от группы спелости (табл. 3).

Средняя продолжительность цветения у сортов с ранними сроками созревания (26.5 сут.) была выше, чем у более поздних сортов (24.9 сут.). В обеих группах спелости обнаружены как сорта с минимальной (с. Эликсред, с. Августин, с. Северное сияние), так и максимальной продолжительностью цветения (с. Барин, с. Третьяковка, с. Утро). Однако взаимосвязи между длительностью прохождения фенологических фаз и урожайностью в климатических условиях исследованного региона в период 2019–2021 гг. не установлено.

Прохождение отдельных фаз и их взаимообусловленность тесно связаны с ростом, и физиологическими процессами на уровне целого растения и отдельных органов. Листья растений с более ранними сроками созревания отличались большей удельной поверхностной плотностью листа (УППЛ) по сравнению с листьями более поздних сортов (табл. 4). Площадь листовой пластины у растений этой группы варьировала от 6 см² (с. Калибр) до 21.3 см² (с. Красавчик), в среднем площадь листьев оказалась меньше (11.6 см²) по сравнению с площадью листа у растений с более поздними сроками созревания (13.7 см²).

Содержание воды в листьях ранних сортов картофеля было на 10% ниже. Количество устьиц по средним показателям мало различалось между группами, но зависело от конкретного сорта. Общее содержание фотосинтетических пигментов также мало различалось между группами, с разным сроком созревания. В листьях ранних и среднеранних сортов количество пигментов было лишь на 10% выше по сравнению со среднеспелыми сортами, но разница между сортами могла достигать до 40%.

При использовании дискриминантного анализа по всему комплексу морфо-физиологических параметров обнаружено четкое ранжирование растений по урожайности и экологической стабильности. Высоко- (Дебют, Краса Мещеры, Сиверский), средне- (Августин, Варяг, Гранд, Жигулевский, Калибр, Красавчик, Кумач, Нарымская ночка, Сердолик, Сигнал, Сударыня, Удача, Утро, Эликсред) и низкоурожайные сорта (Барин, Брусника, Казачок, Северное сияние, Третьяковка) образовали три четких независимых кластера. Аналогичное разделение установлено для высоко- (Августин, Барин, Варяг, Дебют, Жигулевский, Красавчик, Сиверский, Сударыня, Удача, Утро, Эликсред), средне- (Брусника, Калибр, Краса Мещеры, Кумач, Сердолик, Сигнал, Третьяковка) и низкопластичных сортов (Гранд, Казачок, Нарымская Ночка, Северное сияние) (табл. 1, рис. 2а, 2б).

Рис. 2.

Результаты дискриминантного анализа морфо-физиологических параметров в зависимости от урожайности (а) и пластичности (б). 1 – низкоурожайные сорта, 2 – среднеурожайные сорта, 3 – высокоурожайные сорта; 5 – низкопластичные сорта, 6 – среднепластичные сорта, 7 – высокопластичные сорта; 4, 8 – центроиды групп.

Распределение исследованных сортов, соответствующих 3 группам разной урожайности, в пространстве 1-й и 2-й дискриминантных функций показало, что наибольший вклад в кластеризацию (83%, p = 0.03) вносит первая дискриминантная функция (рис. 2а). Различия между сортами, выделенными по значениям урожайности, обуславливаются в первую очередь количеством клубней (29%) и средним весом клубня (21%), затем следуют размеры устьиц (12%), общее содержание Хл (10%). В отношении экологической пластичности установлено, что первая дискриминантная функция определяет 88% (p = 0.05) всех различий между вычлененными группами сортов (рис. 2б). Наибольший относительный вклад в дискриминацию вносит параметр УППЛ (38%), за которым следуют содержание Хл (13%) и Кар (13%), площадь листа (12%). Подобной закономерности в отношении стабильности урожайности сорта не выявлено.

Более подробный анализ отдельных морфо-физиологических параметров листа показал, что высокоурожайные сорта в среднем имеют большее число устьиц в единице площади листа (рис. 3). Площадь листовой пластины у высокоурожайных сортов ниже, чем у низкоурожайных, а показатель УППЛ напротив более чем в два раза выше.

Рис. 3.

Средние значения морфо-физиологических параметров листьев (а–ж) и среднего веса клубней (з) сортов картофеля и их стандартная ошибка в зависимости от урожайности по результатам 2019–2021 гг.: I – высокоурожайные сорта (n = 3), II – среднеурожайные сорта (n = 14), III – низкоурожайные сорта (n = 5). Значимость различий между средними значениями признака устанавливали с использованием с однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA). При нормальном распределении данных применяли поправку Бонферрони, а при отклонении от нормального распределения – критерий Краскела–Уоллиса. Разными буквами (a–c) обозначены достоверные различия между средними значениями признака (при p < 0.05).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Анализ климатических условий (табл. 1) в периоды проведения экспериментов показывает, что район исследования, расположенный в степной зоне Средней полосы России, является удобным экспериментальным полигоном для исследования влияния засушливых условий на сельскохозяйственные растения в полевых условиях (Рубцов и др., 2019; Бакунов и др., 2020). Нами установлено, что увеличение температуры воздуха в летние месяцы 2019–2021 гг. в сравнении с климатической нормой региона привело к увеличению дефицита влаги в почве и, как следствие, к снижению средней урожайности картофеля. Потери урожая, в среднем, составили ~40% в основном за счет снижения массы клубней. При изучении 56 генотипов картофеля, выращиваемых в условиях полива с последующим водным стрессом, было обнаружено снижение, как числа, так и веса клубней (Gervais et al., 2021). Стресс засухи также значительно снизил вес клубней и их количество у сортов S. tuberosum, S. tuberosum × S. tuberosum subsp, однако снижение урожайности клубней варьировало в зависимости от генотипа (Schafleitner et al., 2007).

Чувствительность картофеля к засухе в основном объясняется малой эффективностью растений усваивать воду из-за неглубокого залегания корневой системы в почве и низкой способностью фотосинтетических механизмов восстанавливаться после водного и теплового стресса (Monneveux et al., 2013; Zarzynska et al., 2017). Содержание воды в листьях растений обуславливает осмос и тургор, от которых зависит рост, поддержание структуры, движение устьиц, фотосинтез и пр. Растения картофеля используют несколько стратегий для выживания в условиях дефицита воды и образования клубней (Plich et al., 2020), например, уменьшение потери воды или поддержание водопоглощения (Obidiegwu et al., 2015). Судя по содержанию воды в листьях, все исследованные нами растения были способны поддерживать достаточно высокий уровень в тканях листьев, несмотря на экстремально низкую влагообеспеченность почвы. Это свидетельствует о том, что урожайность клубней для разных генотипов картофеля при недостатке влаги в почве были связаны не с различиями в содержании воды в листьях, а скорее, с морфологией, физиологическими и биохимическими процессами.

Фотосинтетические пигменты имеют первостепенное значение для фотосинтеза и зависят от водного дефицита (Kapoor et al., 2020). Количество Хл, как правило, связано с продуктивностью сорта (Obidiegwu et al., 2015; Бакунов и др., 2020). Большее содержание Хл и Кар у высокоурожайных сортов способствует большему поглощению света и защите фотосинтетического аппарата от окислительных процессов, возникающих при дефиците влаги (Lawlor, Tezara, 2009; Dahal et al., 2019). При этом параметр содержание Хл оказался связан как с экологической пластичностью, так и с урожайностью картофеля, что показывает его интеграционную значимость, как в формировании урожая, так и в адаптации растений к экологическим условиям.

Высокоурожайные сорта отличались также низкой площадью листа по сравнению с низкоурожайными. В их листьях содержится больше сухого вещества в единице площади листа (показатель УППЛ), большое число некрупных устьиц (рис. 3). Эти особенности в структуре листьев способствует ограничению потери воды и большей ассимиляции СО₂, что положительно влияет на продуктивность растений. Полученные нами данные согласуются с результатами полевых экспериментов с использованием культуры ячменя: контроль над потерей воды осуществлялся за счет снижения индекса листовых параметров (Lawlor, Tezara, 2009).

Показатель УППЛ важен для таких процессов как отношение процессов фотосинтез/азотфиксация, скорость фотосинтетической ассимиляции, продолжительность жизни листа, а также для разделения растений на функциональные группы в зависимости от условий окружающей среды (Cheng et al., 2014). Это отразилось на разделении групп сортов по коэффициенту пластичности bi.

Из всех исследованных сортообразцов картофеля с. Сиверский оказался и высокоурожайным (29 т/га) и высокопластичным (bi = 2.07). Однако коэффициент стабильности его урожайности достаточно высокий (Si² = 88.61). Это означает, что сорт хорошо отзывается на улучшение условий выращивания, но в неблагоприятные годы урожайность может снизиться. Характерными признаками этого сорта являются наибольшее число устьиц в единице площади листа, высокая гидратационная способность листьев и высокое содержание фотосинтетических пигментов. Из всех высокоурожайных сортов он имел наименьшее значение УППЛ. Как показали наши предыдущие исследования, с. Сиверский отличался большей изменчивостью белкового и липидного метаболизма, а также более интенсивными процессами окисления и антиоксидантной защиты по сравнению с малоурожайным с. Третьяковка (Розенцвет и др., 2021). В свою очередь, с. Краса Мещеры также является высокоурожайным (30.1 т/га), имеет коэффициент bi близкий к 1, а Si² равный 2.29, то есть характеризуется, как генотип с высокой экологической пластичностью и высокой стабильностью генотипа. Учитывая, что в основе реакции растений на стресс лежат сотни генов, можно полагать, что оба сорта могут служить источником генетического материала для молекулярно-физиологических и селекционных исследований с целью отбора сортов для интенсивного или стабильного урожая.

Таким образом, морфо-физиологические показатели листьев и клубней определяют урожайность и экологическую пластичность сортов картофеля. Характеристиками, способствующими высокой урожайности и адаптационной способности, являются число устьиц в единице площади листа, УППЛ и содержание фотосинтетических пигментов. В целом полученные результаты детализируют концепцию “адаптация/продуктивность”, согласно которой либо достигается наибольшая защита (экологическая пластичность), либо максимум продукции (урожайность), что необходимо учитывать при подборе сортов к конкретным почвенно-климатическим условиям.

Финансирование. Данная работа выполнена в рамках Комплексного плана научных исследований ”Развитие селекции и семеноводства картофеля” и “Структура, динамика и устойчивое развитие экосистем Волжского бассейна” (№ 021060107217-0-1.6.19).

Благодарности. Авторы выражают благодарность ФГБНУ “Федеральный исследовательский центр картофеля им. А.Г. Лорха” и создателям сортов S. tuberosum за предоставленный для исследований семенной материал.