Неблагоприятные условия внешней среды представляют большую угрозу стабильности производства продукции растениеводства.
Это усугубляется глобальным потеплением климата на планете. В этой связи использование различных селекционных, интродукционных, агротехнических способов повышения устойчивости растений к стрессам (засухе, жаре, морозам, холоду, засолению и другим) представляет собой важнейшую народнохозяйственную задачу. Одним из наиболее эффективных, не требующих при выращивании сельскохозяйственных культур увеличения затрат техногенных ресурсов, является использование в производстве устойчивых сортов. Несмотря на сложность решения этой задачи, практически по каждой культуре имеется спектр сортов, различающихся по устойчивости к тому или иному фактору внешней среды. Отбор селекционных форм, создание устойчивых сортов и внедрение их в производство является результатом сложной многолетней работы коллективов ученых и Государственного испытания в различных почвенно-климатических условиях. При этом весьма эффективна селекция на урожайность в конкретных почвенно-климатических условиях, когда сами условия служат селективным фоном для отбора наиболее приспособленных растений.
Создание сортов, одновременно сочетающих высокую урожайность и устойчивость к неблагоприятным условиям среды, представляет собой очень сложную задачу. Причина в том, что высокая продуктивность растений основана на высокой интенсивности ростовых и синтетических процессов, а высокая стрессоустойчивость, напротив, отрицательно связана с интенсивностью этих процессов. Не случайно растения наиболее устойчивы к неблагоприятным условиям в состоянии покоя — в виде созревших семян, клубней, луковиц, и т.д., а древесные — зимой в состоянии глубокого покоя, когда все метаболические процессы протекают крайне медленно. Можно сказать, что величина урожая является результатом компромисса между продуктивностью и устойчивостью к неблагоприятным условиям среды. Эта проблема в своей основе является проблемой биоэнергетической. То есть, чем больше энергетических ресурсов растение тратит на формирование урожая, тем меньше их остается на поддержание экологической устойчивости.
Из-за противоречий между продуктивностью и устойчивостью к стрессовым факторам среды «зеленая революция» (создание и широкое использование в производстве высокоурожайных низкостебельных интенсивных сортов) не дала ожидаемых результатов в ряде странах тропической Африки, Азии и Южной Америки именно из-за того, что при интродукции в эти регионы высокоурожайные сорта оказались экологически неустойчивыми. Подобную неудачу в нашей стране имели интенсивные сорта пшеницы Аврора и Кавказ, которые оказались неустойчивыми к болезням.
По данным Э.Г. Неттевича (1985) в России новые сорта яровой пшеницы в благоприятные годы превосходят по урожайности старые на 30-50 %, а в неблагоприятные могут уступать им на ту же величину.
Аналогичные данные приводит Гончаренко А.А. (2005). Средняя урожайность новых сортов зерновых культур выше, чем у старых сортов. Наибольший прирост достигнут у озимой пшеницы. Но в неблагоприятные годы новые сорта формировали урожайность такую же, как старые сорта. Исключение составляла озимая рожь. То есть, по мере увеличения потенциала урожайности новых сортов уровень их экологической зависимости растет. Варьирование урожайности у озимых культур на 86 % было обусловлено погодой и только 7-8 % влиянием генотипа. У яровых влияние погоды еще выше — 93-94 %, а влияние генотипа 2-4 %. Именно устойчивость к лимитирующим факторам среды определяет уровень и стабильность урожайности. И одним из главных погодных факторов является почвенная и воздушная засухи.
Эти вопросы особенно важны для эволюционно молодых мутантных сортов, которые не подвергались отбору на устойчивость к стрессам в ходе эволюции, как подвергались этому отбору традиционные формы растений. В настоящее время таких сортов, несущих мутантные, или рецессивные гены, довольно много.
У гороха посевного в настоящее время уже получен целый ряд новых морфологических мутантных форм — усатые (или безлисточковые), хамелеоны, люпиноиды и другие. В то же время даже обычные листочковые сорта гороха, довольно значительно варьируют по урожайности в разные по погодным условиям годы. Так по данным П.М. Чекрыгина (2001), за период наблюдений в конкурсном сортоиспытании украинского института растениеводства им. Юрьева с 1946 по 1999 год только 8 лет из 53 в условиях Восточной лесостепи Украины были вполне благоприятны. В эти годы урожайность гороха превысила 4 т/га. В то же время, почти в каждый второй год урожайность его составляла менее 2 ц/га. При этом особенно сильно они снижали урожайность в засушливые годы.
Обязательным условием создания новых высокоурожайных сортов для конкретных почвенно-климатических условий является оценка их адаптивных возможностей на основе применения наиболее эффективных методов диагностики устойчивости. Селекционные теории устойчивости построены в основном на установлении связи устойчивости с анатомо-морфологическими особенностями растений. Физиологические и биохимические исследования в этой области направлены на изучение структуры и активности фотосинтетического аппарата, корневой системы, состава запасных белков и ферментов, связанных с устойчивостью и урожайностью.
Способы диагностики устойчивости растений разрабатывались и разрабатываются в настоящее время во многих научных учреждений страны. Огромный вклад в разработку методов и оценку мирового генофонда растений внесли ученые Всероссийского НИИ растениеводств им. Н И. Вавилова, а также ученые селекционных центров страны, специализированных на отдельных группах сельскохозяйственных культур. Для практического использования уже рекомендованы разнообразные методы оценки устойчивости, которые различаются по трудоемкости, производительности, точностью оценки, что обусловливают возможности их практического применения. Вместе с тем, при имеющихся различиях в подходах и технике выполнения все эти методы базируются на одних и тех же закономерностях адаптации растений к стрессорам.
Для практического растениеводства имеет значение, прежде всего, агрономическая устойчивость видов и сортов сельскохозяйственных растений. Она отражает степень снижения урожайности под влиянием стрессового воздействия и может выражаться в процентах снижения продуктивности в условиях стресса, по сравнению с продуктивностью в нормальных условиях.
При оценке сельскохозяйственных культур на устойчивость к тому или иному стрессовому фактору должны соблюдаться определенные правила. В частности, важно, что один и тот же фактор внешней среды оказывает разное влияние на растения в зависимости от силы этого фактора. Поэтому оценка устойчивости разных видов и сортов должна проводиться при одной и той же силе стрессовой нагрузки.
При определении и сравнении устойчивости разных сортов и гибридов необходимо использовать высококачественный семенной материал (семена без повреждений, с высокой всхожестью, одного года и места репродукции).
Необходимо при скрининге использовать сорта- стандарты или сорта-классификаторы, с которыми проводят сравнение изучаемых сортов и гибридов по устойчивости. В качестве классификаторов берутся два-три известных сорта, как правило, из числа возделываемых в данной зоне. Они должны хорошо различаться между собой по устойчивости к тому типу стрессора, на устойчивость к которому проводится оценка. Обычно выбирают для этой цели высокоустойчивый, среднеустойчивый и неустойчивый сорта.
Необходимо учитывать, что устойчивость растений изменяется в онтогенезе: она наиболее низка в молодом возрасте (у всходов, проростков), затем в период до созревания семян постепенно и существенно повышается, но на стадии формирования гаметофита ненадолго резко снижается. Из этого следует, что сравнительная оценка растительных объектов по устойчивости должна проводиться только на растениях или органах растений одинакового возраста. Для того чтобы избежать существенных ошибок и искажения результатов, при проведении оценки устойчивости растений необходимо тщательно подбирать однородный по положению на растении материал (равноудаленные от плода листья, побеги одного порядка и т.п.), обращать внимание на выравненность оцениваемых растений по количеству плодоэлементов.
Наиболее объективные данные по устойчивости растений дают результаты выращивания сортов в разных почвенно-климатических зонах. Примером служит проверка новых сортов в Государственном сортоиспытании, которая предусматривает выращивание их на сортоиспытательных участках, находящихся в разных экологических условиях в течение трех лет. Многолетние испытания в полевых условиях в одном и том же географическом пункте также могут быть использованы. Достоинством полевых методов является испытание сортов в естественных условиях той или иной почвенно-климатической зоны. Но даже трехлетних испытаний нередко оказывается недостаточно, чтобы получить надежную оценку экологической устойчивости сорта, так как формирование стрессовых условий и напряженность стресса невозможно предсказать, тем более в критические периоды развития растений.
Моделировать некоторые экологические условия можно при выращивании растений в сосудах в условиях вегетационного опыта. В вегетационном домике можно создавать условия увлажнения почвы для оценки растений на устойчивость к почвенной засухе или переувлажнению. Более широкие возможности дает использование фитотронной техники. Здесь можно создавать необходимые условия влажности почвы, температуры и относительной влажности воздуха. Но вегетационный метод является весьма трудоемким и малопроизводительным. Он позволяет проводить оценку только у ограниченного числа сортов, и непригоден для массовой оценки.
Для массовой диагностики устойчивости растений широко используются лабораторные методы. Они наименее трудоемки, наиболее производительны, можно легко моделировать условия и воспроизводить их в повторных исследованиях. Но не всегда оценка устойчивости в лабораторном исследовании совпадает с истинной агрономической устойчивостью.
Таким образом, существующие методы моделирования стрессовых условий имеют и недостатки и достоинства.
Характеристика различных методов создания стрессовых условий при оценке экологической устойчивости сортов (по Г.В. Удовенко, 1995)
| Методы | Достоинства | Недостатки |
| Полевые | Естественное сочетание факторов среды | Трудоемкость Длительность оценки Немоделируемость Нестабильность среды |
| Вегетационные | Моделируемость Стабильность факторов | Малая производительность |
| Лабораторные | Большая производительность Стабильность факторов Моделируемость | Не полное соответствие истинной агрономической устойчивости |
Наиболее широко при оценке устойчивости сортов и гибридов к различным экологическим факторам среды используются методы, в основе которых лежит реакция ростовых процессов на стрессовые условия, так как в большинстве случаев при стрессе различной природы наблюдается угнетение роста. Наиболее часто такой подход используется при оценке устойчивости растений в фазе проростков, так как в этот период легко определить биометрические ростовые показатели, такие как длина и масса побега и корня, объем корневой системы, число зародышевых корней и другие. Для этого растения выращивают в чашках Петри, растильнях или в бумажных рулонах в течение определенного времени при заданных параметрах интенсивности стрессового фактора.
Нарушение мембран и повышение их проницаемости является неспецифической ответной реакцией растений на стрессоры различной природы. Это свойство растений используют для оценки сортов на устойчивость к различным неблагоприятным условиям внешней среды. Степень повреждения мембран можно определить по количеству веществ клеточного сока, вышедших из клеток в наружный дистиллят и измерения электропроводности образовавшегося раствора.
Оценка устойчивости растений к засухе может проводиться по комплексу показателей водного режима, таким как общая оводненность тканей, водный дефицит, водоудерживающая способность тканей и органов.
Используется и ряд других методов оценки устойчивости растений к стрессорам разной природы и напряженности.
Для получения репрезентативных данных по устойчивости растений в условиях лабораторного исследования необходимо соблюдать следующие условия: использовать надежные методы; использовать сорта-дифференциаторы; подбирать для оценки растения одинаковые по габитусу, этапу онтогенеза, плодонагрузке; использовать комплекс разных методов оценки.
На популяционном уровне важнейшим фактором адаптации к изменяющимся внешним условиям является естественный отбор устойчивых форм. Он основан на внутрипопуляционном варьировании уровня устойчивости у индивидов. На этом принципе основан ряд методов оценки популяций, например, диагностика устойчивости по прорастанию на растворах, имитирующих засуху, по скорости гибели растений под действием стрессоров.
Внутрипопуляционное варьирование обязательно учитывается при проведении диагностики устойчивости, а именно при определении объема выборки и повторностей определения. Биологическая повторность определения должна быть такой, чтобы достаточно точно отразить всю генеральную совокупность (сорт или популяцию). Обычно число повторений составляет от трех до пяти. При этом для получения средней пробы берут части с нескольких растений, объединяя их в биологическую повторность. Если оценка ведется по прорастанию семян, то количество взятых для анализа семян должно быть достаточным. Эти количества экспериментально подбираются для конкретной культуры и метода оценки. Как правило, в апробированных методиках указываются размеры выборки. Полученные результаты затем обрабатывают статистически, чтобы определить точность опыта и достоверность различий между изученными растительными объектами.
В таблице указаны основные физиологические признаки, которые используются при диагностике растений на устойчивость к стрессорам. Набор показателей и режимы проведения оценки подбираются конкретно для вида стресса и сельскохозяйственной культуры.
Физиологические признаки, используемые для диагностики устойчивости растений к неблагоприятным условиям среды (по Удовенко Г.В., 1995 и Гончаровой Э.А., 2011)
| Уровень организации | Признак | Методический прием |
| Клеточный и органный | Проницаемость мембран | Выход веществ из ткани (клетки)
Электропроводность тканей |
| Водно-осмотический статус | Водный режим ткани (засухоустойчивость) | |
| Образование протекторов | Содержание осморегуляторов | |
| Энергетический баланс | Биохемилюминесценция | |
| Ростовая активность | Прирост, линейные и массовые показатели | |
| Физиологобиохимические тесты | Аналитические оценки | |
| Репарационная способность | Восстановление функций и параметров | |
| Организменный | Донор-акцепторные связи | Аттрагирующая сила акцептора |
| Популяционный | Отбор по устойчивости | Выживаемость в популяции после стресса Прорастание семян при давлении стрессом |
Приведем возможный комплекс показателей для оценки растений на засухоустойчивость.
Способность семян к прорастанию. Оценивают, проращивая семена на растворах осмотически активных веществ (сахароза, декстрин), имитирующих дефицит влаги в почве. Зависит от способности семян для набухания поглощать воду из растворов с высоким осмотическим давлением и степени угнетения гидролитической активности при водном дефиците.
Ростовая реакция проростков на засуху. Сравнивают показатели линейного роста, сухую массу проростков при проращивании семян в течение определенного времени при оптимальном увлажнении и дефиците влаги. Дефицит влаги имитируют растворами с высоким осмотическим давлением.
Всхожесть семян и выживаемость проростков после прогрева. Характеризует жаростойкость, которая определяется устойчивостью к высокой температуре белков и ферментов зародыша семени.
Водоудерживающая способность тканей. Учитывается динамика отдачи воды листьями или растениями обычно в течение 6-ти часов. Характеризует способность органов и тканей удерживать в клетках воду в условиях засухи.
Проницаемость клеточных мембран для электролитов. Характеризует степень повреждения мембран под действием засухи или высокой температуры.
Образование пролина. Аналитическая оценка содержания в тканях свободного пролина. Значение пролина — стабилизация гидратации белков.
Полевую оценку состояния растений при засухе можно проводить по следующим морфофизиологическим показателям (на примере зерновых культур).
Наличие воскового налета. Защищает листья от перегрева.
Площадь листовой поверхности. Положительно коррелирует с накоплением сухих веществ растением.
Интенсивность зеленой окраски листьев. Характеризует устойчивость фотосинтетических пигментов к стрессовым условиям.
Наличие остей. На пшенице установлено, что многочисленные устьица на остях способствуют защите от перегрева, создают микроклимат внутри колоса.
Степень потери тургора. Характеризует состояние водного режима растений.
Сухая фитомасса флагового листа. Флаговый лист является главным источником ассимилятов для развивающегося колоса. Потенциал крупного флагового листа в обеспечении колоса фотосинтетическими продуктами выше, чем у мелкого листа.
Диаметр стебля под колосом. Характеризует развитие проводящей системы.
Многообразие физиологических признаков, связанных с устойчивостью, и методов оценки разных видов и сортов сельскохозяйственных культур к неблагоприятным условиям внешней среды основывается на механизмах адаптации растений. Знание этих основ позволяет подобрать наиболее приемлемые методологические подходы и объективно оценить различия между растениями по устойчивости к стрессорам различной природы.
Необходимо в то же время учитывать, что реализация устойчивости, как признака, происходит в определенных агроэкологических условиях. Она зависит от силы и продолжительности стресса, фазы онтогенеза растений, условий питания и других факторов. Поэтому традиционные методы оценки устойчивости растений имеют ряд ограничений и не всегда тесно коррелируют с истинной устойчивостью сортов и гибридов. Только комплексная оценка может дать наиболее объективную оценку.
Современный уровень развития физиологии, биохимии, молекулярной биологии, биотехнологии, генетики и селекции растений дает возможность интегрировать знания и методы указанных дисциплин и на мультидисциплинарной платформе разрабатывать новые методы оценки устойчивости на различных уровнях организации: молекулярном, клеточном, организменном.
В этой связи, наряду с методами традиционной селекции все шире разрабатываются технологии генетической инженерии. Ученые направляют свои усилия на поиск генетических маркеров устойчивости, то есть поиску потенциальных генов устойчивости к тому или иному экологическому фактору.
Генетическая инженерия — это технология получения новых комбинаций генетического материала путем проводимых вне клетки манипуляций с молекулами ДНК и переноса созданных конструкций генов в живой организм, в результате которого достигается их включение в геном и активность в этом организме и у его потомства. Генная инженерия является инструментом современной биотехнологии. Её суть сводится к переносу в растения чужеродных генов, которые могут придавать растениям полезные свойства.
Эта технология основана на внесении новых генов из различных источников (трансгенов) или модифицированных генов той же культуры (цисгенов). Формально датой рождения генетической инженерии растений считается получение первого в мире химерного растения санбин (sunbeen) как результата переноса гена запасного белка фасоли (фазеолина) в геном подсолнечника (sunflower + been).
В настоящее время уже получены трансгенные формы растений картофеля, сои, кукурузы, рапса, подсолнечника и многие другие, устойчивые к гербицидам, насекомым- вредителям, вирусным болезням, засухе, холоду.