Особенности адаптации межвидовых гибридов винограда к низкотемпературному стрессу в контролируемых условиях среды

В статье приводятся результаты исследований биохимических особенностей адаптации межвидовых гибридов винограда различного эколого-географического происхождения к стрессам зимнего периода. Целью исследований являлось определение степени адаптивности различных по происхождению и биологии сортов винограда к низкотемпературным стрессам и лимитирующим параметрам, которую определяли посредством моделирования температурных стрессов в контролируемых условиях камеры искусственного климата по изменению биохимических показателей, характеризующих устойчивость растения к низким температурам. Для определения биохимических показателей использованы оригинальные методики, модифицированные на основе методов капиллярного электрофореза. При промораживании лозы винограда отмечено снижение содержания в ней всех осмопротекторных соединений, что связано с их метаболизацией. Установлены положительные корреляционные зависимости водоудерживающей способности клеток с устойчивостью белка к разрушению у сорта Кристалл, у которого по сравнению с сортами Достойный и Красностоп АЗОС отмечено также большее содержание свободных аминокислот, особенно осмопротектора — пролина, что свидетельствует о его большей степени адаптивности к низким температурам. Сорта евро-американского происхождения отличались большим содержанием аскорбиновой и фенолкарбоновых кислот. В состоянии вынужденного покоя у всех изучаемых межвидовых гибридов увеличилось содержание пролина, что свидетельствует о повышении водоудерживающей способности цитоплазмы. О высокой зимостойкости сортов Кристалл, Достойный и Красностоп АЗОС в фазу вынужденного покоя свидетельствует также снижение содержания крахмала в зоне мелкоклеточной сердцевины побега. Для различных по происхождению и биологии сортов винограда определены пороговые показатели, характеризующие устойчивость растения к низкотемпературным стрессам в фазах глубокого и вынужденного покоя. На основании результатов пятилетних исследований сделано предположение о различных механизмах адаптации изучаемых сортов винограда к стрессорам зимнего периода.

В условиях глобального и локального изменения климата наиболее актуальным направлением развития современного виноградарства является совершенствование сортимента винограда путем повышения его устойчивости к неблагоприятным факторам среды и более полной реализации потенциала продуктивности [1,11,12].

Способность растений приспосабливаться к условиям среды — основополагающее свойство, позволяющее им не только выживать, но и обеспечивать свои репродуктивные процессы [2]. Адаптация достигается с помощью различных механизмов: генетических, биохимических, физиологических, структурных и других. Знание физиолого-биохимических основ устойчивости растений позволяет разрабатывать как методы оценки по этому признаку, так и приемы, ее повышающие [6, 10]. Раскрытие физиолого-биохимических механизмов обеспечения устойчивости растений винограда к абиотическим факторам является основой целенаправленного управления адаптационным и продукционным процессами для обеспечения устойчивости многолетних агроценозов.

Результаты ранее проведенных нами исследований устойчивости сортов винограда различного эколого-географического происхождения к низким температурам, свидетельствуют о наличии различных биохимических механизмов формирования устойчивости и адаптации растений винограда к стресс-факторам среды на молекулярном уровне [7, 8].

В связи с этим целью наших исследований являлось определение степени адаптивности различных по происхождению и биологии сортов винограда к низкотемпературным стрессам и лимитирующим параметрам.

Объекты и методы исследований

Полевые наблюдения и отбор образцов проводились на ампелографической коллекции ФГБНУ АЗОСВиВ СКЗНИИСиВ. Объектами исследований являлись сорта винограда технического назначения: раннего срока созревания — межвидовой гибрид европейско-амуроамериканский Кристалл, среднего срока созревания — межвидовые гибриды европейско-аме-риканской группы Достойный и Красностоп АЗОС. Растения одного года посадки, подвой Кобер 5ББ. Формировка — двусторонний высокоштамбовый спиральный кордон АЗОС. Возделывание на черном паре при схеме посадки 3 х 2,5 м.

Степень адаптивности определяли при моделировании температурных стрессов в контролируемых условиях камер искусственного климата по изменению в лозе биохимических показателей, характеризующих устойчивость растения к низким температурам. Коэффициент повреждения мембран определяли по выходу катионов; содержание в лозе свободной и связанной воды — весовым методом; углеводов и белка — спектральным методом; состав и количество органических [3] и фенолкарбоновых кислот [4], содержание индолилуксусной [9] и абсцизовой кислоты — методом капиллярного электрофореза на приборе «Капель 103Р». Анатомо-морфологические и гистохимические исследования проводили с использованием микроскопов «МБИ-10» и «Olympus» [5]. Экспериментальные данные обрабатывали с использованием методов вариационной статистики.

Результаты исследований и обсуждение

Устойчивость растений к морозу обусловлена многими причинами [14,13]. Для винограда главными являются: величина водоудерживающей способности тканей (соотношение связанной воды к свободной); возможность протопласта в период замерзания оперативно отдавать воду в межклетники; а также выносливость клеток к обезвоживанию, что сохраняет их нативную структуру.

При промораживании лозы при температуре -25 °С, отобранной в фазе глубокого покоя (декабрь) в условиях 2011 и 2013 годов, отмечено увеличение содержания связанной формы воды, а в 2012 — свободной, что может было обусловлено большей максимальной температурой воздуха и количеством выпавших осадков в декабре 2012 г. (рис. 1).

Рис. 1. Изменение соотношения содержания связанной воды к свободной в лозе винограда при промораживании, декабрь 2011-2013 гг.

У сорта Кристалл рост водоудерживающей способности клеток положительно коррелировал с устойчивостью белка к разрушению (Ккоррел. = 0,99) и незначительно — с гидролизом крахмала (рис. 2).

У сортов Достойный и Красностоп АЗОС увеличение водоудерживающей способности лозы при низкотемпературном стрессе незначительно коррелирует с интенсивностью гидролиза белка и крахмала (соотношение белок/сумма своб. аминокислот и сахароза/ крахмал соответственно) и, возможно, обусловлено интенсивностью обменных процессов (гидролиз белка) в лозе до промораживания (Ккоррел. = -0,86 и -0,92 соответственно).

Рис. 2. Биохимическая характеристика гидролитических процессов при промораживании лозы винограда в декабре 2011-2013 гг.

При воздействии низкотемпературного стресса содержание белка и сумма свободных аминокислот составили: для сортов Кристалл – 3,51-4,44 мг/г и 0,24-0,52 мг/г; Достойный – 3,57-4,28 мг/г и 0,05-0,17 мг/г; Красностоп АЗОС – 3,18-4,04 мг/г и 0,08-0,30 мг/г соответственно. У сорта Кристалл больше содержание свободных аминокислот в лозе по сравнению с сортами Достойный и Красностоп АЗОС согласуется и с повышенным содержанием у него пролина (37,6-49,8; 30,1-30,4 и 14,6-34,5 мг/кг соответственно).

Сорта евро-американского происхождения отличаются большим содержанием аскорбиновой и фенолкарбоновых кислот, инактивирующих свободные радикалы при окислительном стрессе (табл.1).

Таблица 1.
Биохимическая характеристика устойчивости лозы винограда к низкотемпературному стрессу при промораживании (декабрь 2013 г.)

Сорт Кристалл характеризуется повышенным содержанием антоцианов и халконов в лозе, способствующих большей его морозостойкости. При промораживании отмечается снижение содержания всех осмопротекторных соединений в лозе, что связано с их метаболизацией. У сорта Красностоп АЗОС отмечается незначительное изменение в содержании свободных катионов, что обусловливает устойчивость клеточных мембран к разрушению.

В феврале 2014 г. сорт Достойный раньше вышел из состояния глубокого покоя, так как у него отмечалось более активное протекание обменных процессов, на что указывает большее содержание свободной формы воды: 54,21-80,43 % (табл. 2). В конце февраля 2014 г. в сравнении с декабрем 2013 г. содержание связанной формы воды у сорта Кристалл увеличилось на 0,7 %, что позволяет предположить его толерантность; у сорта Красностоп АЗОС — на6,2 %, что связано с закаливанием; а у сорта Достойный — снизилось на 4,3 %, что, вероятно, можно объяснить активацией обменных процессов при большей интенсивности дыхания, о чем свидетельствовало и большее содержание суммы органических кислот цикла Кребса.

Таблица 2.
Биохимическая характеристика устойчивости лозы винограда к низким температурам в состоянии вынужденного покоя (февраль 2014 г.)

Увеличение содержания пролина у сорта Кристалл в 3,3 раза, у сорта Красностоп АЗОС в 2,8 раза и у сорта Достойный на 41,8 % свидетельствует о повышении водоудерживающей способности цитоплазмы и служит проявлением защитной реакции при их адаптации.

В декабре 2013 г. все изучаемые сорта винограда накопили максимальное количество крахмала в зоне мелкоклеточной сердцевины: у сорта Достойный оно составляло 4,9 балла, у сортов Красностоп АЗОС и Кристалл — 5,0 баллов (табл. 3).

Таблица 3
Сравнительная анатомо-морфологическая характеристика однолетней лозы и почек изучаемых сортов винограда (декабрь 2013 г.)

У всех сортов винограда в почках зимующего глазка заложены эмбриональные соцветия, обуславливающие урожай следующего года. При искусственном промораживании побегов повреждений тканей однолетней лозы и почек ни в одном случае не обнаружено. Гистохимические и анатомо-морфологические исследования показали, что в феврале 2014 г. растения изучаемых сортов винограда находились в стадии вынужденного покоя (табл. 4).

Таблица 4
Анатомо-морфологическая характеристика однолетней лозы и почек изучаемых сортов винограда (февраль 2014 г.)

Снижение содержания крахмала до 4,8 балла в зоне мелкоклеточной сердцевины побега свидетельствует о высокой зимостойкости сортов Кристалл, Достойный и Красностоп АЗОС. Анализ данных дает основание предположить различные механизмы адаптации изучаемых сортов винограда к стрессорам зимнего периода.

В период 2010-2014 гг. определены пороговые показатели устойчивости растений винограда межвидовых гибридов различного эколого-географического происхождения Кристалл, Достойный и Красностоп АЗОС в состоянии глубокого и вынужденного покоя к стрессовым факторам зимнего периода (табл. 5).

Таблица 5
Биохимические параметры адаптации межвидовых гибридов винограда к стрессорам зимнего периода (2010-2014 гг.)

Заключение

В результате исследований установлены биохимические особенности приспособления растений винограда к стрессам зимнего периода. Для различных по происхождению и биологии сортов винограда определены пороговые значения биохимических показателей, характеризующие устойчивость растения к низкотемпературным стрессам в фазы глубокого вынужденного покоя. Полученные результаты дают основание предполагать, что механизмы адаптации изучаемых сортов к стрессорам зимнего периода различны.

Список использованной литературы

 
1. Афанасьев В.И., Борисова А.А., Зармаев А.А., Куликов И.М., Тятюшкина Т.А. Виноград и вино сквозь века: монография. — М.: ГНУ ВСТЙСП Россельхозакадемии, 2013. — Т. 1. — 306 с.
2. Егоров Е.А., Серпуховитина К.А., Петров В.С. и др. Адаптивный потенциал винограда в условиях стрессовых температур зимнего периода. — Краснодар: СКЗНИИСиВ, 2006. — 156 с.
3. Захарова М.В., Ильина И.А., Киселева Г.К., Лифар Г.В., Якуба Ю.Ф. Методика определения массовой концентрации винной, яблочной, янтарной, лимонной кислот с применением капиллярного электрофореза // Методическое и аналитическое обеспечение исследований по садоводству: сб. науч. тр. — Краснодар: ГНУ СКЗНИИСиВ, 2010. — С. 283-288.
4. Захарова М.В., Ильина И.А., Киселева Г.К., Лифар Г.В., Якуба Ю.Ф. Методика определения массовой концентрации аскорбиновой, хлорогеновой и кофейной кислот с применением капиллярного электрофореза // Методическое и аналитическое обеспечение исследований по садоводству: сб. науч. тр. — Краснодар: ГНУ СКЗНИИСиВ, 2010. — С. 279-283.
5. Киселева Г.К. Анатомо-морфологическая оценка адаптивного потенциала сортов плодовых культур и винограда // Современные методологические аспекты организации селекционного процесса в садовод-стве и виноградарстве. — Краснодар: СКЗНИИСиВ, 2012. — С. 199-205.
6. Кошкин Е.И. Физиология устойчивости сельскохозяйственных культур. — М.: Дрофа, 2010.-638 с.
7. Ненько Н.И., Ильина И.А., Схаляхо Т.В., Щербаков С.В. и др. Физиолого-биохимические аспекты влияния температурного и водного режимов на реализацию продукционного потенциала виноградных растений // Методы и регламенты оптимизации структурных элементов агроценозов и управления реализацией продукционного потенциала растений: сб. науч. тр. — Краснодар, 2009. — С. 316-325.
8. Ненько Н.И., Ильина И.А., Петров В.С., Кудряшова В.В., Запорожец Н.М., Схаляхо Т.В. О формировании адаптационной устойчивости у растений винограда в осенне-зимний период // Сельскохозяйственная биология, 2014. — № 3. — С. 92-99.
9. Патент 2517219 Российская Федерация, МИК ООШ 33/15 (2006.01), ООШ 27/26 (2006.01). Способ определения индолилуксусной кислоты методом капиллярного электрофореза / Якуба Ю.Ф., Ненько Н.И., Яблонская Е.К., Шестакова В.В., Сундырева М.А.; заявитель и патентообладатель ГНУ СКЗНИИСиВ. — № 2012145879/15; заявл. 26.10.12; опубл. 27.05.14, Бюл. № 15. — 7 с.
10. Петров В.С., Ильина И.А., Нудьга Т.А., Сундырева М.А. Селекционно-технологические методы повышения стрессоустойчивости винограда // Методы и способы повышения стрессоустойчивости плодовых культур и винограда: сб. науч. тр. — Краснодар, 2009. — С. 144-156.
11. Серпуховитина К.А., Ключникова Г.Н., Нудьга Т.А., Апалькова Н.Н. Формирование сортовой политики на Кубани // Виноделие и виноградарство, 2005. — № 3. — С. 4-6.
12. Серпуховитина К.А. Доминирующие факторы эффективного виноградарства и виноделия // Виноделие и виноградарство, 2005. — № 5. — С. 10-12.
13. Kaku S., Iwaya M., Li P.H. and Sakai A. eds. Low temperature exoterms in xylems of evergreen and deciduous broad-leaved trees in Japan with reference to freezing resistance and distribution range // Plant cold hardiness and freezing stress: Mechanisms and crop implications — Academic, New York, 1978 — Vol. I — P. 227-239.
14. Ryan C.A. The systemic signalling pathways: differential activation of plant defensive genes // Biochim. Biophys. Acta,2000. -Ne 1477.-P. 112-121.