Studying physiological and biochemical indicators of plum adaptability in autumn

Full Text

Введение

Слива (Prunus) – одна из важнейших плодовых культур, выращиваемых в средней полосе России. Особое внимание исследователей привлекает адаптивность плодовых деревьев к неблагоприятным условиям, в том числе в осенний период, когда происходят изменения погодных условий и начинается подготовка к глубокому покою. Исследование этого фактора важно для повышения продуктивности культуры и ее устойчивости к стрессам.

Адаптивность плодовых культур в осенний период характеризуется рядом биохимических и физиологических показателей, которые отражают их способность противостоять стрессам, связанным с понижением температуры и уменьшением светового дня. В данной статье рассмотрены некоторые физиолого-биохимические показатели, характеризующие адаптивность сливы в осенний период, такие как содержание пролина, крахмала, активность амилазы, сахаров и водный режим.

Пролин – это аминокислота, играющая важную роль в адаптации растений к стрессам, таким как низкие температуры. В осенний период накопление пролина в тканях растений способствует защите клеток от обезвоживания и повреждения при замерзании. Пролин выполняет функции осмопротектора (Прудников и др., 2017), стабилизируя клеточные структуры и предотвращая денатурацию белков при стрессовых условиях. Исследования показывают, что концентрация пролина возрастает в ответ на понижение температуры, что повышает стрессоустойчивость растения. Пролин является ключевым показателем устойчивости холодовому стрессу у сливы в осенний период. Считается, что высокое содержание пролина связано с увеличением морозостойкости и выживаемости растений в условиях холодового стресса (Прудников и др., 2017).

Крахмал является основным запасным углеводом в растениях, и его накопление осенью важно для обеспечения энергией в зимний период. В условиях понижения температуры крахмал постепенно гидролизуется до простых сахаров, которые служат источником энергии для поддержания жизнеспособности клеток (Босиева, Нартикоева, 2014). Уровень крахмала в листьях и плодах сливы осенью может являться индикатором способности растения к долгосрочному хранению запасных веществ для зимней адаптации. При этом важным моментом является активность фермента амилаза, который обеспечивает расщепление запасных углеводов для поддержания жизнедеятельности клеток в неблагоприятных условиях.

Амилаза – это фермент, который катализирует расщепление крахмала до простых сахаров. В осенний период активность амилазы возрастает, что связано с началом процессов перехода крахмала в сахара для обеспечения растений энергией на зиму. Высокая активность амилазы в осенний период свидетельствует о способности растений эффективно использовать запасенные углеводы для повышения устойчивости к стрессовым условиям (Fulton et al., 2008). Высокая активность амилазы в осенний период свидетельствует о том, что процессы мобилизации запасных веществ, таких как крахмал, начинают активироваться задолго до наступления зимнего периода. Это важный адаптационный механизм, позволяющий растениям более эффективно противостоять стрессам, связанным с понижением температуры и уменьшением доступности воды.

Исследования российских авторов показывают, что успешная адаптация сливы в осенний период напрямую связана с накоплением сахаров и их осморегуляторной функцией (Yue et al., 2015).

Сахара являются важными источниками энергии для клеток. Осенью накопление сахаров в тканях сливы связано с подготовкой растения к зимнему периоду, когда метаболизм замедляется. Сахара также играют роль криопротекторов (Yue et al., 2015), снижая температуру замерзания клеточного сока и предотвращая образование ледяных кристаллов, которые могут повредить клетки. Кроме того, сахара участвуют в регуляции осмотического давления в клетках, что способствует поддержанию водного баланса в условиях стресса. Накопление осмотически активных веществ, таких как пролин и сахара, способствует удержанию воды в клетках и предотвращает их обезвоживание. Это особенно важно в условиях пониженных температур и снижения влажности почвы (Красова и др., 2014a).

В связи с этим значимым аспектом адаптации растений к осенним условиям является и изменение фракционного состава воды в растительных тканях, который напрямую связан с водным режимом и устойчивостью к стрессам. Фракционный состав воды включает в себя следующие основные компоненты: свободная вода – вода, которая легко перемещается в клетках и межклеточных пространствах; связанная вода – вода, которая связана с клеточными структурами (например, белками, клеточными мембранами) имеет ограниченную подвижность и более низкую температуру замерзания. В осенний период важно изменение соотношения между этими фракциями, что существенно влияет на устойчивость растения к неблагоприятным условиям. В это время происходит постепенное снижение содержания свободной воды и увеличение доли связанной воды. Это связано с подготовкой растения к зимнему периоду и необходимостью снижения транспирации и потерь воды в условиях низких температур. Связанная вода меньше подвержена испарению и замерзанию, что делает ее важным элементом защиты клеток от повреждений низкой температурой. Как показывают исследования, снижение доли свободной воды в клетках повышает морозоустойчивость растений (Ozherelieva et al., 2016). В связи с вышеизложенным изучение адаптивности сортов сливы в осенний период сохраняет свою актуальность.

Цель исследований – сравнительная оценка адаптивного потенциала сливы разного генетического происхождения в осенний период на основе изучения особенностей физиолого-биохимических показателей, обуславливающих устойчивость растений к низкотемпературному стрессу.

 

Материалы и методика

Исследование проводили в 2022…2023 гг. на базе лаборатории физиологии устойчивости плодовых растений и участках первичного сортоизучения косточковых культур ВНИИСПК с темно-серыми лесными почвами, с содержанием гумуса 3…4%, мощностью гумусового горизонта 30…35 см. Год посадки – 2019. Схема посадки 5 × 3 м. В междурядьях используется черный пар, в приствольных полосах гербициды.

В качестве объектов исследования были использованы 14 сортообразцов сливы различного генетического происхождения из биоресурсной коллекции ВНИИСПК (таблица 1), которые характеризуются разным потенциалом зимостойкости. Так сорта Prunus domestica (Самощенков и др., 2008) менее устойчивы к низким температурам в зимний период. В суровые зимы деревья этой культуры подмерзают до уровня снежного покрова. Наиболее часто у них повреждаются цветковые почки, плодовые образования и однолетние ветви (Савельев и др., 2010). В условиях средней полосы России лучшую зимостойкость показывают сорта, полученные на основе Prunus salicina (Джигадло, Гуляева, 2011). Большой популярностью в последние годы стали пользоваться сорта Prunus × rossica Erem., (Ненько и др., 2012). В связи с тем, что не все сорта сливы достаточно зимостойки провели изучение особенностей физиолого-биохимических показателей устойчивости сливы разного генетического происхождения для оценки их адаптивного потенциала.

 

Таблица 1 – Объекты исследований

Сорт	Происхождение
Prunus domestica
Венгерка белорусская	Деликатная × Stanley
Венгерка заречная	Мичуринская × Красная десертная
Евразия 21	Спонтанная гибридизация диплоида Лакресцент
Золотое руно	Скороспелка красная × Виктория
Stanley	D’Agen × Grand Duke
Prunus salicina
Неженка	Скороплодная × Китаянка
Орловская мечта	Аленушка – свободное опыление
Скороплодная	Уссурийская красная × Клаймакс
Сувенир Востока	Заря × Гигант (повторная гибридизация сортов первого поколения)
ЭЛС 18473	Скороплодная – свободное опыление
Prunus × rossica Erem.
Ветразь	Элитная форма 18/1 × Скороплодная
Гек	Скороплодная × Отличница
Злато скифов	Кубанская Комета – свободное опыление с использованием мутагенов
Кубанская комета	Скороплодная × Пионерка

 

Сентябрь 2022 был холодным и влажным. Среднесуточная температура воздуха (9,4 °С) была ниже средней многолетней на 2,2 °С, осадков выпало 96 мм. В октябре среднесуточная температура воздуха превышала норму на 1,8 °С, сумма осадков составила 69,1 мм. В ноябре среднесуточная температура воздуха была выше на 1,43 °С среднемноголетнего значения, осадков при этом выпало 39,3 мм.

Сентябрь 2023 был теплым (среднесуточная температура воздуха 13,2 °С) и сухим (сумма осадков 0,3 мм). В октябре среднесуточная температура была в норме, сумма осадков превысила норму в 2 раза. В ноябре среднесуточная температура воздуха (+0,5 °С) превысила норму на 0,9 °С и количество осадков (102,9 мм) превышало среднемноголетнее значение в 3 раза. За годы исследований, как правило, осенью отмечалось неравномерное распределение осадков и температуры (рисунок 1).

 

Рисунок 1 - Метеорологические условия Орловской области в 2022...2023 гг. (данные метеопоста ФГБНУ ВНИИСПК)

 

Фракционный состав воды в однолетних побегах проводили методом Окунцова-Маринчик (Ожерельева и др., 2019). Накопление сахаров в коре однолетних побегов сливы определили на основе резорцинового реактива (Туркина, Соколова, 1972), содержание пролина по реакции с реагентом нингидрина (Bates et al., 1973; Прудников, Ожерельева, 2019). Активность амилазы установили по количеству гидролизованного ферментом крахмала (Ермаков и др., 1987), количество крахмала в коре однолетних побегов сливы определили согласно методике (Кабашникова и др., 2003).

Результаты обрабатывали методом однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA) с использованием программного пакета MS Excel.

 

Результаты и их обсуждение

В результате проведенных исследований установлено, что содержание связанной воды в однолетних побегах сливы к началу осени у сортов Prunus domestica было выше в 1,15 и 1,17 раз, чем у сортов Prunus salicina и Prunus × rossica Erem. соответственно (рисунок 2а).

Наибольшие показатели содержания свободной воды в сентябре были отмечены у сортов Prunus salicina, чем у сортов Prunus domestica и Prunus × rossica Erem. в 1,4 и 1,1 раза соответственно (рисунок 2б). Наибольшие показатели были отмечены у сортов Неженка (24,5 %) и Скороплодная (23,4 %). В октябре наблюдался рост количества связанной воды в коре однолетних побегов у всех изучаемых сортов сливы в среднем в 1,46 раза. При этом у сортов Prunus domestica этот показатель был выше в 1,08 и 1,24 раз по сравнению с сортами Prunus salicina и Prunus × rossica Erem. соответственно. Наибольший уровень связанной воды был зарегистрирован у сортов Prunus domestica Венгерка заречная (38,5 %) и Stanley (38,6 %) (рисунок 2а). Показатели содержания свободной воды в октябре у большинства сортов были ниже, чем в сентябре. Наибольшие значения отмечали у сортов Prunus salicina, выше в 1,4 и в 1,1 раз, чем у сортов Prunus domestica и Prunus × rossica Erem. соответственно (рисунок 2б). К концу осени наблюдалось увеличение связанной воды и снижение количества свободной по сравнению с началом осени, что предположительно благоприятно скажется на зимостойкости сортов сливы (рисунок 2а, 2б). Известно, что у зимостойких сортов плодовых культур уровень связанной воды выше, чем у незимостойких (Кушниренко, Печерская, 1991). Изучение фракционного состава воды показало повышение связанной воды также в коре однолетних побегов сортов яблони (Галашева, Красова, 2013; Ненько и др., 2017) и винограда (Ненько и др., 2014) в осенне-зимний период.

   

а – содержание связанной воды (НСР₀₅ = 4,6)

б – содержание свободной воды (НСР₀₅ = 2,4)

Рисунок 2 – Содержание связанной (а) и свободной воды (б) в тканях однолетних побегов сливы в осенний период (среднее за 2022…2023 гг.), %

 

В осенние месяцы у изучаемых сортов сливы наблюдали различную динамику накопления свободного пролина в коре однолетних побегов. У сортов Prunus domestica Венгерка белорусская, Венгерка заречная, Евразия 21 и Stanley содержание свободного пролина возросло к ноябрю в 1,2…3,3 раза по сравнению с сентябрем, кроме сорта Золотое руно, у которого было отмечено снижение содержание свободного пролина в 1,3 раза, что может быть связано с более низким уровнем морозостойкости. У сортов Prunus salicina к концу ноября количество пролина возросло в 2,4 раза, а у сортов Prunus × rossica Erem. в 1,8 раза по сравнению с показателями сентября. Наибольшие показатели содержания аминокислоты к началу зимы были зарегистрированы у сортов Prunus salicina Скороплодная и Орловская мечта, Prunus × rossica Erem. Ветразь, Злато скифов и Гек, что свидетельствует о большей степени устойчивости к неблагоприятным условиям осеннего периода (рисунок 3).

 

Рисунок 3 – Содержание пролина в коре однолетних побегов сортообразцов сливы в осенний период 2022…2023 гг, мг/кг (среднее за 2022…2023 гг.) НСР₀₅ = 48,2

 

В позднеосенний период, при пониженных температурах у зимостойких сортов яблони отмечено возрастание содержания пролина в тканях однолетних побегов и в других работах (Красова и др., 2012; Артюх и др., 2014.

В сентябре у представителей Prunus salicina в коре однолетних побегов содержание крахмала содержалось в среднем – 0,91 мг/см³ и активность амилазы составила – 166,33 мг крахмала·ч/г (рисунок 3). В октябре в процессе гидролиза отмечено снижение количества крахмала у изучаемых сортов сливы в 4,3 раза по сравнению с сентябрем на фоне снижения в 4,08 раза активности фермента амилаза в коре однолетних побегов. В ноябре гидролиз крахмала шел интенсивнее у сортов Prunus salicina за счет в среднем более высокой активности амилазы (166,31 мг крахмала·ч/г) по сравнению с представителями Prunus domestica (134,86 мг крахмала·ч/г) и Prunus × rossica Erem. (145,21 мг крахмала·ч/г). Тенденция понижения уровня крахмала и роста активности амилазы в коре однолетних побегов сливы сохранилась и в ноябре. В этом месяце отметили снижение в 7,3 раза количества крахмала (рисунок 4) в коре однолетних побегов сортов Prunus domestica, в 7,4 раза у сортов Prunus salicina и в 5,9 раза у сортов Prunus × rossica Erem. по сравнению с сентябрем.

 

Рисунок 4 – Содержание крахмала в коре однолетних побегов сортообразцов сливы в осенний период 2022…2023 гг, мг/см³ (среднее за 2022…2023 гг.) F_ф < F_т

 

Активность фермента амилаза в ноябре снизилась в 8,6 раза у сортов Prunus domestica, в 9,0 раз у сортов Prunus salicina и в 9,6 раза у сортов Prunus × rossica Erem. по сравнению с сентябрем (рисунок 5), что указывает на вступление растений в период покоя. Аналогичные результаты получены другими исследователями. Так при усилении гидролиза содержание крахмала значительно снижалось в тканях однолетних побегов сортов яблони к концу осени (Красова и др., 2014b). Н.И. Ненько и соавторы (2021) показали, что у сортов винограда важный вклад в процессы адаптации к низким температурам вносит гидролиз крахмала с образованием водорастворимых сахаров. Установлено, что их содержание зимой увеличилось в 2,7…2,9 раз во флоэме побегов винограда, что согласуется с нашими результатами.

В результате гидролиза крахмала в осенний период наблюдали существенное накопление количества сахаров в коре однолетних побегов сортов сливы. При этом в сентябре у представителей Prunus domestica количество сахаров в коре однолетних побегов было меньше в 1,2 и 1,3 раза по сравнению с сортами Prunus salicina и Prunus × rossica Erem., соответственно.

 

Рисунок 5 – Активность амилазы в коре однолетних побегов сортообразцов сливы в осенний период 2022…2023 гг, мг крахмала/ч∙г (среднее за 2022…23 гг.) F_ф < F_т

 

В октябре наблюдали обратный процесс, количество сахаров в коре однолетних побегов снизилось в 1,3 у сортов Prunus domestica и Prunus salicina, в 1,4 раза у генотипов Prunus × rossica Erem. по сравнению с сентябрем (рисунок 6), что может свидетельствовать об участии сахаров в синтезе белков.

 

Рисунок 6 – Содержание суммы сахаров в коре однолетних побегов сортообразцов сливы в осенний период 2022…2023 гг, мг/г (среднее за 2022…2023 гг.) НСР₀₅ = 0,2

 

Известно, что сахара входят в комплексные соединения с белками, которые повышают устойчивость растений к низкотемпературному стрессу (Колупаев, Трунова, 1992). В ноябре содержание сахаров в коре однолетних побегов сливы значительно повысилось по сравнению с октябрем. Так в коре однолетних побегов изучаемых сортов Prunus domestica и Prunus × rossica Erem. сумма сахаров увеличилась в 1,3…1,9 раза, Prunus salicina в 1,6…2,1 раза. При этом сорта Prunus salicina и Prunus × rossica Erem. накопили в 1,3 раза больше сахаров, чем сорта Prunus domestica. Максимальное значение содержания сахаров в коре однолетних побегов отметили в конце осени у сортов Prunus domestica Венгерка белорусская, Евразия 21, у Prunus salicina Неженка, Орловская мечта, Сувенир Востока, ЭЛС 18476 и у Prunus × rossica Erem. Ветразь, Гек, Злато скифов, Кубанская комета (рисунок 6). В исследованиях Н.Г. Красовой и соавторов (2014) показано также значительное увеличение количества сахаров в однолетних побегах сортов яблони к началу зимы. У сортов винограда Красностоп и Зариф выявлено в течение зимнего периода содержание осмопротектора сахарозы возрастало в 4,7 и 6,6 раз (Ненько и др., 2021).

 

Заключение

В результате проведенных исследований показано, что используемые физиолого-биохимические показатели, характеризуют адаптационную способность сортов сливы (связанная форма воды, пролин, сахароза) и механизмы ее формирования в осенний период. При ослаблении процессов метаболизма происходит закаливание растений сливы при этом активизируются защитные механизмы для успешной перезимовки: изменения в водном режиме и накопление энергетического потенциала. При этом у сортов Prunus × rossica Erem. Ветразь, Гек, Злато скифов, Кубанская комета и Prunus salicina – Неженка, Орловская мечта, Скороплодная, Сувенир Востока, ЭЛС 18476 адаптивные процессы осенью проходили интенсивнее. Среди генотипов Prunus domestica выделили сорта Венгерка белорусская, Евразия 21 и Stanley, которые показали более высокую интенсивность обменных процессов при прохождении закалки осенью. Важно отметить, что выделенные сорта сливы в зимний период проявляют большую устойчивость к низкотемпературному стрессу. Физиолого-биохимическими методами показано, что адаптация сортов сливы к зимним стрессам достигается за счет повышенного синтеза осмопротекторов (сахарозы, пролина) и повышения уровня связанной воды. Таким образом, физиолого-биохимические показатели адаптивности, как фракционный состав воды, содержание сахаров и аминокислоты пролин в тканях однолетних побегов, могут использоваться для выявления формирования процессов адаптивности осенью, а также в качестве диагностических критериев оценки морозоустойчивости сортов сливы. Полученные результаты дают возможность использовать выделенные сорта сливы в селекционном процессе, как источники признаков адаптивности, позволяющих улучшить физиолого-биохимические показатели для повышения зимостойкости данной культуры в средней полосе России.

 

Конфликт интересов: авторы статьи заявляют об отсутствии конфликта интересов.

 

Отказ от ответственности: заявления, мнения и данные, содержащиеся в публикации, принадлежат исключительно авторам и соавторам. ФГБНУ ВНИИСПК и редакция журнала снимают с себя ответственность за любой ущерб людям и/или имуществу в результате использования любых идей, методов, инструкций или продуктов, упомянутых в контенте.

About the authors

Anzhelika Olegovna Bolgova

Russian Research Institute of Fruit Crop Breeding (VNIISPK)

Author for correspondence.
Email: bolgova@orel.vniispk.ru
ORCID iD: 0000-0002-5917-7308
SPIN-code: 1903-1469

junior researcher

Russian Federation, 302530, Russia, Oryol region, Oryol district, Zhilina village, 1.

Zoya Evgenievna Ozherelieva

Russian Research Institute of Fruit Crop Breeding (VNIISPK)

Email: ozherelieva@orel.vniispk.ru
ORCID iD: 0000-0002-1730-4073
SPIN-code: 2835-8790

Candidate of Agricultural Sciences, Leading Researcher, Laboratory of Physiology of Resistance of Fruit Plants

Russian Federation, 302530, Russia, Oryol region, Oryol district, Zhilina village, 1.

References

Supplementary files