Фотосинтетическая активность и донорно-акцепторные отношения в связи с продуктивностью оздоровленных растений картофеля

Актуальность проблемы: В последние годы в связи с интенсификацией сельскохозяйственного производства и необходимостью создания новых высокопродуктивных сортов интенсивного типа большое значение для селекции приобретают исследования по оптимизации донорно-акцепторных отношений между вегетативными и хозяйственно-ценными органами растения и физиолого-биохимических процессов, которые обеспечивают максимальную продуктивность и требуемое качество урожая. Из всех видов взаимодействий между органами растений наибольший интерес с позиции физиологии растений и селекции представляют донорно-акцепторные отношения ассимилирующих и плодовых органов (Мокроносов, 1978; Кумаков, 1980). При исследовании донорно-акцепторных отношений приоритетными является выяснение природы и механизма функционирования аттрагирующих органов, разработка критериев для оценки состояния и силы взаимодействия доноров и акцепторов. С этой точки зрения особый интерес представляют исследования донорно-акцепторных отношений между ассимилирующими и потребляющими органами картофеля.

Картофель одна из основных сельскохозяйственных культур предгорных и горных районов Таджикистана, отличающихся наиболее благоприятными условиями для его выращивания.

Картофель выполняет важную роль в решении продовольственной проблемы для возрастающего населения мира, особенно в развивающихся странах. Потребность в картофеле каждые 10−15 лет удваивается.

Потребность хозяйств республики в семенном картофеле составляет 45−50 тыс. тонн, тогда как производство составляет 17,3 тыс.тонн. Разрыв между потребностью и сбором очень велик.

Урожайность картофеля в Таджикистане в последние годы находятся в пределах 81 — 121 ц/га. Главной причиной низкой урожайности этой культуры является отсутствие оздоровленного семенного материала и слабая организация системы семеноводства.

Будущее семеноводства в Республике Таджикистан связано с необходимостью использования методов генной и клеточной инженерии, способных воздействовать на экономику и формирующих характер производства семенного материала на современном этапе развития.

Используемый семенной картофель во всех зонах его выращивания не отвечает требованиям производства ввиду наличия вирусной и бактериальных инфекции. Семенной материал в течение 30 лет не обнавлялся, что явилось причиной низкой жизнеспособности семян и низкой урожайности. Использование в картофелеводстве хозяйственных сортов практически ориентируется на завозном семенном картофеле.

Практика последних лет показывает, что с завозом семенного картофеля связаны многие негативные явления, такие как распространение нематод, колорадского жука и других заболеваний. Все это отрицательно сказывается на урожайности картофеля и качестве семенного материала и приводит к резкому сокращению семенного картофеля.

Все это послужило основной причиной уменьшения площади возделывания картофеля и низкой продуктивности. Площадь возделывания картофеля в Республике Таджикистан в 1996;1997гг. составила примерно 5 тыс. гектаров и средняя урожайность около 130−170 ц/га, тогда как в 1989 — 1991 гг. соответственно была 10−12 тыс. гектаров и 180−220 ц/га.

Поэтому одной из главнейших задач является создание и внедрение новых технологий выращивания семенного и товарного картофеля, свободного от вирусной инфекции и паразитов.

Вирусные болезни картофеля широко распространены во многих странах мира, где они являются основным источником заболевания картофеля. Установлены наиболее распространенные и вредоносные болезни в картофелеводческих хозяйствах Таджикистана (Каримов, 1984; Алиев, Каримов, 1997). Ежегодно потери от вирусных болезней составляют не менее 20−30%, особенно от вируса скручивания листьев (X). В настоящее время известно около 20 вирусов картофеля (Зыкин, 1984).

Независимо от формы проявления симптомов заболевания вирусы заметно влияют на растенияхозяина, что сказывается на метаболической перестройке внутри клеток, на нарушение и взаимодействие генетических элементов клетки (хлоропласты, митохондрии, ядро). Некоторые авторы причиной нарушения биохимических процессов в клетках склонны считать изменение фотосинтетической функции (Насыров, Муминджанов и др., 1997; Давлятназарова, 1997). Здесь актуальным является выяснение характера взаимодействия генов хлоропластов и генов вирусов, что имеет и практическую значимость в создании растений картофеля со свободным от вирусов фотосинтетическим аппаратом, что имеет важное значение в безвирусном семеноводстве этой культуры.

В основе этого лежат методы получения безвирусной суперэлиты картофеля. Следовательно, необходимо переходить к исследованиям на уровне клетке, которые позволят получить растения-регенеранты, свободные от вирусов. Важнейшим элементом этой системы является оздоровление преспективных и лучших районированных сортов картофеля в Таджикистане.

Исследования влияния вирусов на фотосинтетическую активность картофеля пока единичны. Поэтому выяснение биохимических и физиологических основ взаимодействия вирусов не только пополнят наши знания о механизмах взаимодействия между вирусами и геномом клетки, но также позволят разобраться в механизмах устойчивости растений к этим вредителям.

Кроме того, в Республике практически отсутствует семеноводство высокоурожайных и устойчивых к болезням сортов картофеля. Отсюда, большой интерес представляют разработка и внедрение биотехнологических приемов в семеноводстве картофеля с целью применения в Таджикистане новых технологий выращивания семенного и товарого картофеля.

Найдены эффективные методы переноса генетической информации в растительную клетку (Пирузян, 1988). С помощью природных векторов, так называемых растительных плазмид, в последний годы широко используется метод культуры in vitro картофеля, поскольку применение регенерантов из разных органов этой культуры практически разработано. Имеется данные о механизме сомаклоновой изменчивости регенерантов картофеля, что имеет важную практическое значение (Алиев и др., 1997, Бобоев1997, Урузалиев, Алимгазинов1997).

Необходимым требованием к новым сортам картофеля является придание им устойчивости к вирусам, вироидам и грибным заболеваниям. Не менее важное значение имеет устойчивость картофеля к стрессовым воздействиям среды (Каримов 1998, Турпанов и др. 1997, Нуркиянов и др. 1997).

Базой безвирусного семенного картофелеводства в Таджикистане должны стать хозяйства с высокой технологией выращивания, имеющие специалистов высокого уровня, экологически чистую почву и окружающую среду. Всем этим требованиям отвечают некоторые хозяйства Файзабадского, Гармского Джиргитальского, Шахристанского районов и Горной Матчи (Каримов и др. 1991).

Вместе с тем, разработка и внедрение меристемной культуры не гарантирует создание устойчивых сортов картофеля к болезням, нематодам и колорадскому жуку без изучения генетической и модификационной изменчивости регенерантов картофеля, что существенно ускоряет получение новых сортов оздоровленного картофеля.

Одной из фундаментальных проблем современной биохимии и физиологии растений является понимание взаимодействия вирусов, бактерий с клетками растений, поскольку знание тончайших механизмов проникновения вирусных частиц в клетку, их репликация, взаимодействие с её геномом может обеспечить успех в защите растительного организма от этой инфекции.

Цель настоящей работы-изучение показателей фотосинтетической деятельности, донорно-акцепторных отношений и продуктивности у оздоровленных с использованием методов микроклонального размножения растений картофеля ряда перспективных и районированных сортов.

В соответствии с этим были поставлены следующие задачи:

— использовать технологию (методы) получения оздоровленных растений картофеля в разных экологических и агроклиматических условиях (горных и предгорных зон) Таджикистана для изучения у них фотосинтеза, донорно-акцепторные отношений и продуктивности;

— изучить особенности формирования биологической и хозяйственной продуктивности оздоровленных растений картофеля;

— определить значение отдельных показателей фотосинтетической деятельности растений в формировании урожая;

— исследовать характер направления росты, распределения и перераспределения сухой биомассы по органам у оздоровленных растений картофеля ;

— провести анализ состояния донорно-акцепторных отношений между фотосинтетическим аппаратом и клубнями у картофеля и выявить лимитирующие факторы урожайности.

I. Обзор литературы.

V. ВЫВОДЫ.

1.Показана высокая эффективность приемов получения и использования пробирочных растений и микро-макроклубней в предгорной и горной зонах картофелеводства Таджикистана.

2. Установлено, что при выборке высокоурожайных сортов, необходимо использовать принцип отбора линий для каждого сорта отдельно.

Между линиями не отмечено различий по содержанию крахмала в клубнях. Меристемные линии не отличались от исходных сортов по морфофизиологическим показателям и урожайности.

3.Оздоровленные растения картофеля характеризуется большими величинами биологического, хозяйственного урожая и коэффициента хозяйственной эффективности.

4.Отмечены отличия по величине интенсивности фотосинтеза между оздоровленными и неоздоровленными растениями. Оздоровленные растения имеют большую величину интенсивности фотосинтеза, чем неоздоровленные.

5.Накопление биопродуктов в клубнях неоздоровленных растений во всех фазах развития происходит медленее, чем у оздоровленного картофеля. Высокая клубневая продуктивность оздоровленных растений связана с улучшением флоэмного транспорта фотосинтетических продуктов.

6. Коэффициент аттракции фотосинтетических ассимилятов у оздоровленных растений гораздо выше, чем у неоздоровленного картофеля. Этот признак является сортозависимым.

IV.

Заключение

.

Практика последних лет показывает, что использование ранее районированных сортов в настоящее время не отвечает требованиям семеноводства картофеля, так как они полностью заражены разными болезнями. Поэтому одной из главнейших задач является создание новых высокоурожайных, высококачественных сортов картофеля, приспособленных к условиям Таджикистана и устойчивых к вирусам, грибным и бактериальным заболеваниям. Не менее важное значение для нашей республики имеет устойчивость картофеля к высоким температурам. Все это требует использования новых методов селекции картофеля, позволяющих повысить генотипическую вариабельность селекционного материала.

По данным ФАО, до 22% мирового урожая картофеля теряется в результате гибели растений от болезней и вредителей. В нашей республике эти потери составляют еще большую величину. Вместе с тем, необходимо также учитывать, что вирусная нагрузка на растения картофеля ухудшает не только качество клубней и резко сокращает урожайность, но является основным фактором изменения генетических систем (ядро, хлоропласты, митохондрии). Это приводит к появлению мутации, т. е. вирусы могут быть векторами в переносе генетических элементов в клетке (Алиев и др., 1997). С другой стороны, в определенной ситуации сами хлоропласты и митохондрии могут стать донорами генов или встраивать чужие гены при посредством вирусных фагов. Такой механизм вполне возможен, т.к. в условиях высокого фона вирусов наблюдается явление вырождения картофеля. Поэтому исследования физиологии картофеля необходимо проводить на растениях, свободных от болезнетворных вирусов, бактерий и других микроорганизмов.

Такие растения в настоящее время привлекают внимание исследователей.

Как показали электронно-микроскопические исследования (Буторяну, 1986), одним из признаков изменения клеток под действием вирусов является присутствие в них самих вирусов в большом количестве и индуцируемых ими структур, причем, одни вирусы локализованы только в цитоплазме, другие — обнаруживаются в органеллах клетки.

Вирусы, являясь внутриклеточными паразитами, влияют на многие клеточные структурные функции, в том числе на функционирование фотосинтетического аппарата (Муминджанов, Каримов, 1993; Хотамов, 1996). Взаимодействие вируса с клеткой проявляется в разной степени и зависит от вируса, его вирулентности, а также от способности хозяина противостоять инфекции. Например, все штаммы У-вирусов у восприимчивых сортов картофеля вызывают деструкцию пластид и митохондрий. Наружная оболочка митохондрий разрушается, кристы исчезают, нарушается форма органелл. Граны и ламеллы хлоропластов также деградируют под влиянием этого штама вируса (Блоцкая, 1989). Вместе с тем у относительно устойчивых к У-вирусу сортов картофеля таких изменений в ультраструктуре хлоропластов не происходит. Хлоропласты имеют четко выраженную внешнюю мембрану и развитую систему тиллакоидов.

Вирусы в зависимости от способа распространения (контактный, векторный) по разному взаимодействуют с органеллами растительной клетки, в частности, с фотосинтетическим аппаратом-хлоропластами. Так, Х-вирус картофеля, который имеет вирионы нитевидных частиц, обладает высокой антигенной активностью и длительно сохраняет свою инфекционность. Этот вирус локализуется в цитоплазме в виде линейных групп рибосом (Блоцкая, 1989). Поэтому при анализе нуклеиновых кислот хлоропластов необходимо четко отличать трансляционный аппарат хлоропластов от подобных частиц Х-вирусов.

По мере увеличения количества вирусов в клетках картофеля, особенно в хлоропластах, резко увеличивается появление самоклонов, отличающихся по морфогенетическим и фотосинтетическим функциям.

Поэтому для решения ряда физиологических явлений мы использовали регенеранты меристематических клеток и их самоклонов появляющихся в модификационной среде.

Используя методы культуры меристемных клеток, нам удалось освободить от вирусов и других болезней ряд районированных и перспективных сортов картофеля, таких, как Кардинал, Невский, Жуковский и др., отработать приемы их размножения в условиях лаборатории, теплицы и горных зон Таджикистана. Экспериментальные данные показали, что при размножении оздоровленных клубней необходим дифференцированный подход в разных экологических и агроклиматических зонах выращивания меристемного материала. Так, наиболее подходящими являются горные зоны, отдельно расположенные от яблоневых и персиковых садов. При таком подборе зоны имеет место незначительное заражение растений вирусами и болезнями. В таких зонах также наблюдается значительное увеличение клубневой продуктивности. В этой связи была исследована фотосинтетическая продуктивность разных генотипов картофеля. Экспериментальные данные показали, что величина интенсивности фотосинтеза зависит не только от сорта (разные по продуктивности), но и от фазы развития. При этом имеется значительное различие в интенсивности фотосинтеза у оздоровленных и неоздоровленных растений. Так, интенсивность фотосинтеза листьев оздоровленных растений в фазе бутонизации и цветения заметно превосходит интенсивность процесса у неоздоровленных растений. Это вполне объясняется тем, что именно в фазе бутонизации и цветения отмечается заметное увеличение количества вирусов, приводящее к заболеваниям растений, и это отрицательно влияет на фотосинтетический процесс. Поэтому у неоздоровленных растений меньшая листовая поверхность и величина хозяйственно-ценного урожая в расчете на одно растение заметно уступает оздоровленным растениям картофеля. Также необходимо отметить, что оздоровленные сорта имеют более кустистую форму и количество стебелей у них коррелирует с урожайностью. По этой причине, видимо, оздоровленные растения картофеля превосходят по урожайности неоздоровленные.

Можно констатировать тот факт, что, у неоздоровленных растений наблюдается большая потеря С02 на фотодыхание (Алиев и др., 1999;Бобохонов и др., 1999). В этих работах установлено, что отклонение в соотношении истинного фотосинтеза и фотодыхания связано с началом вирусного поражения картофеля. Поэтому нами были предприняты попытки получения ряда самоклонов, резко отличающихся по биологической и клубневой продуктивности оздоровленных растений картофеля. Для этого меристематические культуры выращивали в модификационной среде. Этот прием позволил получить линии, резко отличающиеся по биологической и клубневой продуктивности. Среди изученных линий перспективными оказался ряд линий сортов Жуковский, Кардинал, Невский и Лорх. Контрастные линии по клубневой продуктивности являются удобной моделью для физиологических исследований. В этом убеждал анализ донорно-акцепторных взаимоотношений у контрольных (неоздоровленных) и оздоровленных растений. Экспериментальные данные показали, что образование фотосинтетических продуктов и их распределение между органами растений картофеля имеют существенные различия.

Динамика накопления и распределения биопродуктов является сортозависимым процессом. У раннеспелого сорта Жуковский темп накопления ассимилятов и их транспорт значительно превосходит позднеспелый сорт Кардинал. По этим показателям оздоровленные растения также имеют существенные отличия от неоздоровленных. Причем, образование фотосинтетических продуктов и их распределение также является сортозависимым процессом.

В ходе реализации онтогенетической программы распределения фотосинтетических продуктов между надземными частями растений и клубнями, главную роль играет детерминированность размеров асимиляционной поверхности листа и этот параметр также является сортозависимым признаком. Так, оздоровленный сорт Жуковский имеет меньшую асимиляционную поверхность по сравнению с сортом Кардинал. Между оздоровленными и неоздоровленными растениями также имеются различия по распределению биопродуктов между надземной и подземной частями (клубни). Отток биопродуктов в клубни неоздоровленных растений от фазы всходов до фазы цветения гораздо ниже, чем у оздоровленного картофеля, и этот процесс резко усиливается от фазы цветения до фазы ягодообразования. Если доля оттока биопродуктов у контрольных растений в клубни составляет примерно 30%, то в опытном варианте (оздоровленные растения) более 60%. Таким образом, анализ полученных данных свидетельствует о том, что оздоровленные растения имеют более высокую ассимиляционную поверхность, чем неоздоровленные и это предопределяет в конечном счете, общую биологическую и клубневую продуктивность. Причина низкой клубневой продуктивности неоздоровленных растений, очевидно, связана с задержкой фотосинтетических продуктов в местах их образования вследствии нарушения флоэмного транспорта из-за накопления вирусных и бактериальных частиц.

При изучении силы взаимодействия и напряженности отношений между ассимилирующими (донорными) и потребляющими (акцепторными) органами было определено, что на начальных этапах Кдао не превышает единицы, в среднем она ровна 0,37. По мере роста и развития запасающих органов (клубней) и в связи с усилением оттока ассимилятов напряженность между ассимилирующими и плодовыми органами возрастает и достигает максимума в фазе цветение — ягодообразования. Это говорит об усилении клубневой нагрузки и высокой донорной способности фотосинтетического аппарата у оздоровленных растений картофеля.

По этой причине, очевидно оздоровленные растения имеют гораздо лучшее донорно-акцепторное взаимодействие чем неоздоровленные растения. Доказательством является более высокий коэффициент аттракции продуктов фотосинтеза у оздоровленных растений.

Итак, вышеизложенные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что функционирование донорно-акцепторной системы является важнейшим фактором продукционного процесса у растений и дает возможность выявить регуляторную систему участия фотосинтетических и нефотосинтетических органов растений картофеля в формировании клубневой продуктивности, что имеет фундаментальное и практическое значение для физиологии растений и сельскохозяйственной практики.