Одним из важных биологических и хозяйственно ценных признаков культурных растений является способность использовать влагу в условиях ее дефицита, особенно на первых этапах роста и развития [1, с. 90]. Под определением «засухоустойчивость» понимают способность растений противостоять неблагоприятным условиям вегетации, не снижая при этом урожай, поэтому, чем меньше снижение урожая, тем выше засухоустойчивость [2, с. 39].
Озимая рожь считается сравнительно засухоустойчивой культурой, эффективно использующей воду благодаря хорошо развитой корневой системе. Однако недостаток влаги в каждый из критических периодов водопотребления (фаза всходов, осеннего кущения, период от выхода в трубку до колошения, налив зерна) приводит к замедлению процессов морфогенеза и снижению урожая, в том числе за счет уменьшения длины колоса, количества зерен в колосе, массы 1000 зерен. Кроме того, засушливая погода в фазу всходов и осеннего кущения снижает готовность посевов к перезимовке [1, с. 90]. В исследованиях В.В. Чайкина, А.А. Торопа, А.И. Рылькова засушливые условия в осенний период, а также в июне и июле вызывали снижение урожайности озимой ржи более чем в 2 раза. Ими отмечено негативное влияние на урожайность сочетания таких факторов, как поражение снежной плесенью и действие осенней и (или) весенней засухи [3, с. 35].
В зоне достаточного увлажнения отрицательное влияние засухи на сельскохозяйственные культуры проявляется быстрее, чем в засушливых регионах [4, с. 10].
Экологические условия Кировской области соответствуют требованиям возделывания озимой ржи и позволяют вести устойчивое производство зерна этой культуры [5, с. 30]. Засуха считается нехарактерным метеорологическим явлением и не относится к числу факторов, значительно лимитирующих урожайность этой культуры, как, например, условия перезимовки. Однако отмечается неустойчивый характер выпадения осадков в течение вегетации озимых, при этом периоды достаточного или избыточного увлажнения сменяются дефицитом влаги. Довольно часто засушливые условия отмечаются в конце мая – июне, а также в июле, когда идет налив зерна [6, с. 248]. Реже засушливая погода отмечается в фазу всходов и осеннего кущения, когда достаточная влагообеспеченность нужна для подготовки растений к перезимовке. В ранее проведенных нами исследованиях (ФГБНУ ФАНЦ Северо-Востока, 2010–2017 гг.) отмечена тесная связь между урожайностью озимой ржи и суммой осадков за май, а также за период «май – июль» (коэффициент корреляции составил 0,70 и 0,73 соответственно).
В годы с дефицитом влаги в критические периоды водопотребления урожайность озимой ржи заметно снижается, что определяет актуальность проведенных исследований по оценке относительной засухоустойчивости возделываемых сортов.
К косвенным методам оценки относительной засухоустойчивости относится метод определения прорастания семян в растворе с повышенным осмотическим давлением, имитирующим недостаток воды (например, раствор сахарозы). Сорта, способные прорасти в условиях осмотического стресса и формирующие мощную первичную корневую систему, в дальнейшем могут быть более засухоустойчивыми в естественных полевых условиях [7, с.10]. Данный метод позволяет выделить перспективный материал с устойчивостью к засухе на ранних этапах органогенеза, что важно при селекции сортов озимых культур, устойчивых к осенней засухе [7, с. 14–15]. Концентрация раствора-осмотика должна быть такой, чтобы различия в устойчивости оцениваемых объектов имели наибольшую амплитуду [8, с. 58]. Правильно подобранная концентрация позволит получить более точное представление об относительной засухоустойчивости сортов. В методическом руководстве [7, с. 10–24] отсутствует информация о концентрации раствора сахарозы для оценки прорастания семян озимой ржи. В исследованиях А.А. Белозеровой и Н.А. Боме [1, с. 90] оценка сортов озимой ржи проводится на концентрации раствора сахарозы 10 %.
Цель исследования: изучить влияние разных концентраций раствора сахарозы на прорастание семян озимой ржи; оценить относительную засухоустойчивость сортов и перспективных популяций озимой ржи в условиях осмотического стресса.
Материалы и методы исследования
Исследования выполнены в лаборатории селекции и первичного семеноводства озимой ржи в Федеральном аграрном научном центре (ФАНЦ) Северо-Востока (г. Киров) в 2018 г. Работа проводилась в два этапа: на первом этапе изучено влияние различных концентраций раствора-осмотика на прорастание семян и экспериментально установлена концентрация, при которой наблюдается наилучшая дифференциация образцов озимой ржи по степени прорастания семян; на втором этапе проведена косвенная оценка образцов по засухоустойчивости описанным ниже способом на установленной концентрации раствора сахарозы.
Опыт по установлению концентрации раствора проведен на трех районированных в Кировской области сортах озимой ржи селекции ФАНЦ Северо-Востока, различающихся между собой по морфотипу – Фаленская 4, Графиня и Кировская 89. Для косвенной оценки засухоустойчивости использовали 23 образца озимой ржи, среди которых 9 районированных сортов и 14 перспективных популяций (табл. 1).
Таблица 1
Сорта и перспективные популяции озимой ржи для оценки относительной засухоустойчивости
|
Районированные сорта |
Перспективные популяции |
|
Вятка 2, Крона, Фаленская 4, Кировская 89, Дымка, Снежана, Рушник, Флора, Графиня |
Кипрез, Румба, Роса, Ниоба, Леда, Садко, Перепел, Снежана С30/07, Фаленская универсальная, Графиня ОП-15, Графиня ОП-14, Кипрез КУ-16, Кипрез КУ-15, Фаленская универсальная ОП-14 |
Для лабораторной оценки прорастания семян использовали методику Н.Н. Кожушко [6]. Опыт заложен в трехкратной повторности. Объем выборки – 30 семян каждого сорта. Проращивание семян проводили в чашках Петри на фильтровальной бумаге. В опытных вариантах в чашки добавляли растворы сахарозы с концентрацией 1,4; 4,4; 7,4; 10,5 и 16,6 %, которые создавали осмотическое давление: 3, 6, 9, 12 и 18 атмосфер (атм) соответственно. В контрольном варианте семена проращивали с добавлением дистиллированной воды. На седьмые сутки определяли прорастание семян (P, %). Для этого в опытном и контрольном вариантах подсчитывали количество семян, давших корешок минимальной длины, затем среднее количество проросших семян в растворе сахарозы (a) выражали в процентах от числа семян, проросших в контроле (b), то есть P = (a/b)×100 %. Чем выше процент прорастания семян в растворе сахарозы, тем более засухоустойчив образец.
Степень снижения (депрессию) ростовых процессов (Z, %) определяли по убыли сухой массы проростков (корней и ростков) в опыте (y) по сравнению с аналогичным показателем в контрольном варианте (x), то есть 
. Более засухоустойчивые образцы отличаются меньшей депрессией ростовых процессов при повышенном осмотическом давлении, что проявляется в меньшем снижении накопления проростками биомассы.
Для дифференциации по степени засухоустойчивости для каждого образца определили доверительный интервал значения признака прорастания семян, затем вычислили величину группового интервала и по нижнему пределу доверительного интервала разделили образцы на 5 групп.
Статистическая обработка экспериментальных данных проведена методом дисперсионного анализа с использованием MS Excel, пакета программ AGROS 2.07, а также методом обработки данных при альтернативной изменчивости [6, с. 13–14].
Результаты исследования и их обсуждение
В результате изучения прорастания семян сортов Фаленская 4, Графиня и Кировская 89 при разных условиях водного дефицита (различная концентрация раствора сахарозы) установлено, что в зависимости от условий и генотипа прорастание варьировало от 27,1 до 93,3 %. Дисперсионный анализ выявил наличие статистически значимых различий в степени прорастания семян по фактору «сорт» и «концентрация раствора сахарозы» (табл. 2).
Таблица 2
Результаты двухфакторного дисперсионного анализа показателя «прорастание семян» озимой ржи
|
Источник варьирования |
Число степеней свободы |
Средний квадрат |
Fфакт. |
F05 |
Сила влияния фактора (hx2) |
|
Общее |
44 |
– |
– |
– |
– |
|
Блоки |
2 |
122,6 |
1,4 |
– |
– |
|
Варианты |
14 |
1313,5 |
14,8 |
2,1 |
– |
|
Фактор А – концентрация раствора сахарозы |
4 |
3971,5 |
44,8 |
2,7 |
0,75 |
|
Фактор В – сорт |
2 |
402,6 |
4,5 |
3,3 |
0,04 |
|
Взаимодействие АВ |
8 |
212,2 |
2,4 |
2,3 |
0,08 |
|
Остаточное |
28 |
88,7 |
– |
– |
0,12 |
Прорастание семян озимой ржи при разном уровне осмотического давления
Концентрация раствора сахарозы в большей мере (hx2 = 0,75) влияла на процент прорастания семян, чем фактор «сорт» и взаимодействие факторов (hx2 = 0,04 и 0,08 соответственно). У всех образцов отмечено снижение процента прорастания семян при увеличении концентрации раствора и повышении осмотического давления (рисунок).
Сорт Кировская 89 отличался наибольшей степенью прорастания семян – 76,7 % (среднее значение по всем концентрациям) и менее резким снижением показателя при повышении осмотического давления относительно сортов Фаленская 4 и Графиня, средний показатель прорастания которых составил 67 %.
Варьирование признака «прорастание семян» у изучаемых образцов при разных концентрациях сахарозы представлено в табл. 3.
Таблица 3
Показатели варьирования признака «прорастание семян, %» озимой ржи
|
Раствор сахарозы (фактор А) |
Образец сорта (фактор В) |
Среднее по опыту |
|||||||||||
|
Фаленская 4 |
Кировская 89 |
Графиня |
|||||||||||
|
% |
атм |
|
R |
sx |
|
R |
sx |
|
R |
sx |
|
R |
sx |
|
1,4 |
3 |
90,8 |
13,8 |
8 |
93,3 |
16,7 |
8,8 |
92,1 |
16,7 |
8,4 |
92,1 |
2,5 |
1,3 |
|
4,4 |
6 |
74,7 |
10,3 |
5,3 |
86,6 |
13,1 |
6,6 |
78,4 |
9 |
4,7 |
79,9 |
11,9 |
6,1 |
|
7,4 |
9 |
83,9 |
10,4 |
5,3 |
81,9 |
23,4 |
12,8 |
64,3 |
11,4 |
6,2 |
76,7 |
19,6 |
10,8 |
|
10,5 |
12 |
54 |
20,7 |
10,5 |
74,2 |
26,7 |
13,4 |
77,1 |
34,9 |
17,7 |
68,4 |
23,1 |
12,6 |
|
16,6 |
18 |
34,5 |
6,9 |
3,5 |
47,3 |
25,3 |
12,9 |
27,1 |
12,9 |
6,9 |
36,3 |
20,2 |
10,2 |
|
НСР05 по фактору А = 9,1; по фактору В = 7 |
|||||||||||||
Примечание: 
– среднее значение признака, R – разница между максимальным и минимальным значением признака, sx – стандартное отклонение.
Среди изучаемых концентраций наибольшее варьирование показателя «прорастание семян» выявлено при концентрации раствора сахарозы 10,5 %, создающей осмотическое давление 12 атм. В этих условиях отмечен наиболее широкий размах вариации признака (R = 23,1 %) и максимальный показатель стандартного отклонения (sx = 12,6 %). Данная закономерность прослеживалась у всех изучаемых образцов: Фаленская 4 (R = 20,7 %; sx = 10,5 %), Кировская 89 (R = 26,7 %; sx = 13,4 %), Графиня (R = 34,9 %; sx = 17,7 %). Показатель «прорастание семян» при концентрации 10,5 % (12 атм) имел статистически значимые различия (c вероятностью P>0,95) по сравнению с вариантами 3, 6 и 18 атм. Разница в прорастании между вариантами 9 и 12 атмосфер статистически несущественна, но в варианте с осмотическим давлением 12 атм размах изменчивости и стандартное отклонение выше, что говорит о большем варьировании признака. Следовательно, для лабораторного определения относительной засухоустойчивости семян озимой ржи необходимо использовать концентрацию раствора сахарозы 10,5 % (12 атм).
На втором этапе была проведена оценка относительной засухоустойчивости 23 сортов и перспективных популяций методом прорастания семян на растворе сахарозы с концентрацией 10,5 % (12 атм). В качестве критериев оценки использовали процент прорастания семян (P, %) и степень снижения (депрессия) накопления проростками сухой биомассы (Z, %). Показатель Z характеризует уровень ростовых процессов при повышении осмотического давления. По проценту прорастания семян образцы распределены по пяти группам (табл. 4).
К группе высокоустойчивых и с устойчивостью выше средней отнесены 11 образцов: Крона, Кировская 89, Фаленская 4, Графиня ОП-15, Кипрез, Садко, Снежана С30/07, Перепел, Ниоба, Графиня, Рушник. Слабой устойчивостью к осмотическому стрессу характеризовались образцы Флора, Графиня ОП-14, Кипрез КУ-16. Минимальным показателем характеризовался образец Кипрез КУ-15.
Таблица 4
Распределение образцов озимой ржи по относительной засухоустойчивости
|
Номер группы по степени устойчивости к засухе |
Интервал значений признака «прорастание семян», % |
Количество сортов в группе |
|
|
шт. |
% |
||
|
1 – неустойчивые |
0 – 13,9 |
1 |
4,3 |
|
2 – слабая |
14,0 – 27,8 |
3 |
13,0 |
|
3 – средняя |
27,9 – 41,7 |
8 |
34,8 |
|
4 – выше средней |
41,8 – 55,6 |
3 |
13,0 |
|
5 – высокая |
55,7 и более |
8 |
34,8 |
Оценка депрессии накопления сухой биомассы (Z) в пределах каждой группы устойчивости, проведенная с помощью t-критерия Стьюдента, показала, что большинство образцов не имеет статистически значимых различий по этому показателю (tфакт. < tтеор. при числе степеней свободы k = 4 и уровне значимости α = 5 %). В 5-й группе выделены образцы Кипрез и Перепел, у которых низкая депрессия накопления биомассы (Z = 5,2 и 15,6 % соответственно) статистически доказана (tфакт.3,8 и tфакт.3,2 против tтеор.2,8). Также можно отметить сорта Крона, Графиня ОП-15 и Садко, у которых невысокий показатель депрессии (15,6; 24,4; 29,6 % соответственно) относительно других образцов в группе.
Заключение
Лабораторный метод проращивания семян озимой ржи на растворе сахарозы позволяет дать косвенную оценку образцов по засухоустойчивости. При увеличении концентрации раствора и повышении осмотического давления отмечено снижение процента прорастания семян у всех изучаемых образцов. Экспериментальным путем установлено, что при концентрации раствора сахарозы 10,5 %, создающей осмотическое давление 12 атм, получен наиболее широкий размах вариации признака «прорастание семян» (R = 23,1 %) и максимальный показатель стандартного отклонения (sx = 12,6 %).
Анализ сортов, проведенный в соответствии с отработанной методикой, позволил распределить сорта озимой ржи по группам. Наибольшей относительной засухоустойчивостью характеризуются сорта Крона, Кировская 89, Фаленская 4, Графиня ОП-15, Кипрез, Садко, Снежана С30/07, Перепел, Ниоба, Графиня, Рушник. В группе высокоустойчивых к осмотическому стрессу выделены образцы Кипрез, Перепел, Крона, Графиня ОП-15, Садко с низким показателем депрессии (5,2; 15,6; 15,6; 24,4; 29,6 % соответственно). Выделенные образцы можно считать перспективными для дальнейшего изучения засухоустойчивости в естественных полевых условиях.