Главная >> Статьи >> Роль светового фактора при культивировании винограда in vitro

Роль светового фактора при культивировании винограда in vitro

А.А, Соболев ГНУ ВНИИВиВ им. Я.И. Потапенко Россельхозакадемии
С целью оптимизации технологии клонального микроразмножения винограда разрабатывались приемы световой биотехнологии, позволяющие снизить энергоемкость процесса. В ходе исследований определены оптимальные параметры интенсивности и длительности освещения на различных этапах культивирования, а также установлена возможность совместного влияния на морфогенез физических и физико-химических факторов в предельно малых дозах.
Наиболее надежным и перспективным методом оздоровления растений от инфекций хронического и системного характера является метод выделения апикальных меристем, регенерации из них растений и дальнейшего их клонального микроразмножения в условиях стерильной культуры. В нашей стране накоплен немалый опыт по клнальному микроразмножению важных для сельского хозяйства видов растений. По данным JI.A. Лутовой [1], в национальную биотехнологическую программу включено более 30 наименований сельскохозяйственных культур, что позволит удовлетворить потребности страны в здоровом и ценном посадочном материале, исходном материале в селекционно-генетических программах по созданию новых высокопродуктивных сортов и, возможно, в посадочном материале для экспорта в другие страны.
С целью стабилизации и устойчивого развития отрасли виноградарства и виноделия РФ, перевода питомниководческой базы на безвирусную основу и международную систему сертификации такай работа проводится в лаборатории биотехнологии ВНИИВиВ им. Я.И. Потапенко Россельхозакадемии.
Однако применение этого прогрессивного способа оздоровления и выращивания растений значительно отстает от реальных потребностей отрасли. Наиболее существенной причиной, сдерживающей его распространение, является отсутствие массового производства. В первую очередь, данное явление можно объяснить низким уровнем материально-технической базы, которая устарела и морально, и физически. Но вместе с тем и сама технология культивирования нуждается в оптимизации. При этом одним из наименее изученных аспектов, а следовательно, и одним из наиболее уязвимых мест этого процесса остается влияние освещения на морфогенез винограда in vitro. В связи с этим нами разрабатываются приемы световой биотехнологии, состоящей в облучении импульсным светом вегетативных и генеративных органов растений [2], что позволяет повысить эффективность процесса оздоровления и клонального микроразмножения винограда.
Следует отметить, что недостатком данного метода является высокая себестоимость получаемого базисного посадочного материала. Поэтому нами также изучалась возможность снижения энергоемкости производства за счет уменьшения уровня потребляемой электроэнергии, используемой для освещения эксплантов и регенерированных растений. Основанием для проведения исследований в данном направлении послужил также и тот известный факт, что при малом уровне освещенности у растений in vivo проявляется высокая адаптивная способность, заключающаяся в снижении затрат ассимилятов на дыхание, увеличении площади листьев и интенсивности фотосинтеза. Поскольку изолированные ткани обычно выращивают с учетом требований материнского растения к условиям освещения, то данное суждение может быть актуально и для культур, растущих в условиях in vitro.
Действие света на растения зависит от трех очевидных факторов, которые следует учитывать во всех исследованиях с применением излучения — это интенсивность, длительность и качество освещения.
Говоря об интенсивности освещения, имеется в виду, что она является наиболее подходящим названием для энергетической освещенности. В фотобиологии под этим термином подразумевается количество лучистой энергии, падающей на объект, так как освещение и яркость не имеют смысла, поскольку свет воспринимается не человеческим глазом. При этом освещенность обычно измеряют по падающему свету, поскольку отражение изменяется неоднородной поверхностью и поглощением лучей с определенной длиной волны. Это особенно верно в том случае, когда свет падает на растения сверху. Однако чаще всего энергетическую освещенность выражают через интенсивность освещения [3].
Анализ литературных источников показал, что величина интенсивности лучистой энергии в процессе регенерации винограда in vitro варьирует в пределах от 2000 до 7000 лк, а на этапе адаптации к нестерильным условиям она должна быть не менее 8000 лк. При этом наиболее благоприятна освещенность около 3000 лк, а более высокая - угнетает развитие и может оказаться причиной ожога, вызванного перегревом, и усыхания растений. В то же время недостаток света может привести к этиоляции (уменьшению содержания хлорофилла), вытягиванию стеблей, блокировке реакций фотоморфогенеза, снижению уровня содержания цитокинина в корнях и, в конечном итоге, к гибели растений. Также было установлено, что наиболее часто вышеупомянутые рекомендации даются для какого-то одного этапа или же для всего процесса оздоровления и микроразмножения в целом. Такая комплексная оценка не совсем правильная, поскольку очевидно, что на этапе ввода экспланта в культуру и на этапе укоренения или мик-
рочеренкования интенсивность лучистой энергии должна быть различной. Известно, что светозависимая стимуляция роста тканей связана с их фотосинтетической активностью [4]. Имеющиеся листья обусловливают наличие прямой связи с фотосинтетическим процессом. Поэтому свет используется более эффективно за счет архитектуры растений, фототаксиса листовой пластинки и хлоропластов, а также за счет увеличения общей площади последних.
В связи с этим нами изучалась возможность получения качественных регенерантов при сохранении высокой скорости их размножения, используя слабую интенсивность освещения (до 3000 лк) на этапах ввода, микрочеренкования и адаптации растений к нестерильным условиям.
Изучение интенсивности излучения на этапе ввода эксплантов в культуру сорта Кристалл показало, что наибольшее количество развившихся меристем отмечено при интенсивности излучения 1800- 2000 лк. Однако данные различия были обусловлены, в первую очередь, количеством сохранившихся растений после гибели эксплантов из-за отсутствия развития и последующего некроза.
Учитывая вышеизложенное, наиболее важным показателем, характеризующим влияние организованных факторов, является процентное отношение количества развившихся эксплантов к количеству пересаженных на питательную среду следующего этапа культивирования. Установлено, что интенсивность освещения 1800-2000 лк обеспечила в опыте стопроцентную регенерацию меристем, а ее снижение до 1300-1400 лк и 700-800 лк оказало на меристемы менее благоприятное воздействие (67 и 87 % соответственно).
При изучении параметров интенсивности излучения на этапе микрочеренкования выявлено влияние сортовой специфики на морфогенез растений при различных условиях освещения. Так, для сортов Дружба, Цимлянский черный и Рихтер-110 наименьшим оптимальным порогом для развития качественных растений оказалась освещенность 2900-3200 лк. При слабой интенсивности (900-1000 лк) наблюдалось удлинение междоузлий и уменьшение диаметра побега, то есть происходило снижение коэффициента потенциального микроразмножения. Для развития же растений сорта Цветочный благоприятным оказалось освещение 1600-1700 лк, поскольку увеличение или
уменьшение интенсивности влекло за собой снижение ростовых характеристик и наблюдалось усыхание верхушечной части растений.
Установлено наличие адаптационной способности растений к условиям энергетической освещенности и при пересадке их в нестерильные условия среды. Как и предполагалось, при уменьшении интенсивности светового потока увеличились количество образовавшихся листьев и площадь листовой поверхности, что свидетельствует о приспосабливаемости растений к условиям освещения. В данном опыте лучшей интенсивностью для сортов Каберне северный и Феркаль оказалось освещение 1700-1900 лк, допустимо излучение 900- 1000 лк. Увеличение ее до 2800-3100 лк ухудшало качество полученных растений.
Таким образом, существенное уменьшение энергетической освещенности до 1700-1900 лк, по сравнению с рекомендуемыми различными авторами 8000-12000 лк, снижает затраты на электроэнергию, что в конечном итоге позволит существенно снизить себестоимость мериклонов.
Одним из световых факторов, оказывающих на развитие растений не меньшее влияние, чем энергетическая освещенность, является длительность излучения. В большинстве исследований длительность характеризуют фотопериодом, который определяется как количество часов освещения в течение суток.
В подавляющем большинстве случаев для формирования качественных культур растений рекомендуется фотопериод продолжительностью 16 ч. Тем не менее, существуют данные об эффективности применения более короткого фотопериода для сои, ячменя, огурца, картофеля, вишни, винограда [5, 6] и прерывании ночного (темнового) периода вспышкой света.
Учитывая обозначенные направления исследований, а также то обстоятельство, что длиннодневной световой период может являться одной из причин генетических отклонений, возникающих в процессе микроразмножения, нами изучалась возможность замены традиционного фотопериода 16 ч на более короткий (16-1 и 14 ч), но не меньший, чем при естественном освещении (приблизительно равном 12 ч).
В результате установлено, что для растений сортов Цимлянский черный и Феркаль, культивируемых на этапе микрочеренкования, целесообразна замена продолжительности освещения с 16 на 14 ч.
При фотопериоде 16-1 ч (прерывание светового периода на час темноты) значения показателей развития существенно не отличались от значений, полученных при освещении в течение 14 ч. Однако высокий уровень отбракованных пробирочных растений, а именно более половины от количества высаженных для культивирования, не позволяет рекомендовать этот фотопериод к использованию. 12-часовой световой день задерживал развитие надземной части растений сорта Феркаль.
Что же касается качества света (света определенного спектрального состава), то этот фактор освещения является мощнейшим инструментом в регулировании процессов роста, регенерации и ризо- генеза in vitro. Нужно отметить, что качественный состав света принято выражать по содержанию в нем тех лучей, которые оказывают наибольшее физиологическое воздействие на растения. Из всего спектра ФАР наиболее активными считаются красный и синий свет.
Изучение морфологической отзывчивости винограда in vitro на облучение растений разнокачественным светом проводится нами в настоящее время (2004 г.).
Одним из наиболее привлекательных с практической точки зрения биотехнологическим приемом является воздействие на растительный организм сигналами физической и физико-химической природы в малых и сверхмалых дозах, обладающих различными механизмами действия. В связи с этим устанавливалась возможность получения растений-регенерантов в возможно короткие сроки путем использования слабой интенсивности освещения и предельно малых концентраций фиторегулятора роста нового поколения эмистим, действие которого связано с сильным родством физико-химического потенциала. В его состав входит около 75 компонентов, благодаря чему этот гормон обладает ауксиновой, цитокининовой и гиббереллиновой активностями и является высокоэффективным индуктором устойчивости растений к вирусным болезням. Поскольку эмистим также может усиливать фотосинтетическую активность [7, 8], была выдвинута гипотеза о взаимодополнении влияний организованных факторов и преобразовании за счет этого небольших количеств, поступающих от них в растительный организм, энергии в количество, необходимое для сбалансированности гормонального статуса и, как следствие этого, усиления ростовых процессов.
Однако взаимодействие факторов на этапах ввода в культуру и укоренения отсутствовало, но на этапе микрочеренкования сортов Цветочный и Цимлянский черный наблюдалась положительная корреляция организованных условий. При этом на значения изучаемых показателей более существенное влияние оказала интенсивность освещения, нежели эмистим. Взаимодействие факторов на вариабельность изучаемого признака находилось в пределах от 7 до 87 %.
Полученные результаты позволяют утверждать, что для оптимального развития обоих сортов лучшими вариантами являются 2200- 2400 лк + ЭМ 10-12 или 10-10 %. В этих вариантах количество отбракованных и погибших от некроза микрочеренков было незначительным, а процент развившихся растений относительно исходного количества - соответственно одним из самых высоких (70-85 %), что указывает на высокую жизнеспособность получаемых микроклонов.
Таким образом, при весьма небольших затратах расходуемой энергии наблюдается усиление ростовых процессов и повышение общего иммунитета пробирочных растений. Однако уменьшение интенсивности освещения при всех изучаемых концентрациях эмистима недопустимо, поскольку влечет за собой угнетение или полную остановку развития.
Необходимым требованием методов микроразмножения и создания коллекций генофонда является депонирование (длительное хранение) оздоровленных растений. Поэтому с целью изменения кинетики роста при депонировании винограда in vitro было проведено изучение совместного влияния на морфогенез пониженной интенсивности освещения и осмотического ингибитора роста маннит в составе питательной среды для хранения без понижения температурного оптимума культивирования (25-27 °С). Последнее является очень важным, поскольку в большинстве исследований для задержки развития растений используется именно пониженная температура. Между тем, для этого необходимо иметь специальное оборудование.
Данные опыта показали, что предположения относительно ингибирующего действия маннита в концентрациях 2; 4 и 6 мг/л на ростовые процессы винограда in vitro не подтвердились. Напротив, маннит стимулировал развитие. Тем не менее, выявлена возможность сохранения растений без пересадки в течение 210-240 дней, используя питательную среду для длительного хранения и понизив освещенность до 400-500 лк, не изменяя при этом параметры температурного режима.
В заключение можно сказать, что данная работа по разработке приемов световой биотехнологии позволит значительно снизить энергоемкость метода оздоровления и клонального микроразмножения винограда, повысив при этом качество регенерированных растений и сохранив высокие скорости их размножения.
Литература
1 Лутова Л.А. Биотехнология высших растений. - СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та. 2003.-С. 212.

  1. Шахов А. А. Световая биотехнология в растениеводстве и селекции: Материалы науч. конф. «Актуальные проблемы биотехнологии в растениеводстве, животноводстве и ветеринарии». — М.: ВНИИСБ, 1996. - 103 с.
  2. Клейн Р. М., Клейн Д. Т. Методы исследования растений. - М.: Колос, 1974. - С. 111-161.
  3. Salajova Т., Erdelsky К. Growth characteristic of norway spruce tissue cultures in dependence on light / Folia dendrol. - 1989. - № 6. - P. 345-363.
  4. Galzy R. La culture in vitro des apex de Vitis rupestris. Compt. rend. Acad. Sc., 1972.-Vol. 274.
  5. Chee R., Pool R. M. Morphogenic Responses to Propagule Trimming, Spectral Irradi- ance, and Photoperiod of Grapevine Shoots Recultured in vitro //Journal of the American society for horticultural science. Vol. 114, № 2. - 1986. - №7. - P. 121 -134.
  6. Высоцкий В. А., Карпова О. В., Янина М. М. Использование препаратов эмистим и экост 1/3 в технологиях клонального микроразмножения ежевики // Аграрная Россия. - М.: «Фолиум». - 1999. - №1(2). - С. 44-46.
  7. Пономаренко С. П., Гашников Э. Г. Определение типа физиологической активности эмистима с использованием специфических биотестов // Аграрная Россия. - М.: Изд-во «Фолиум». - 1999. - №1(2). - С. 15-16.

По материалам научно-практической конференции «Адаптивное ведение виноградарства (селекция, питомниководство, технологии возделывания, виноделие)», г. Новочеркасск, 19-23 апр. 2004 г.

Метки: размножение |
 
< Роль кальция в хранении винограда   Роль экологических и техногенных факторов в адаптации виноградного растения >
Искать по сайту:
или внутренним поиском:

Translator

Наверх