Автоматизированный комплекс измерительной аппаратуры для оценки устойчивости растений к стрессовым факторам среды

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ ДЛЯ ОЦЕНКИ УСТОЙЧИВОСТИ РАСТЕНИЙ К СТРЕССОВЫМ ФАКТОРАМ СРЕДЫ

В.Ю. БЕРЕЗИНА, кандидат селъскохозяйственныхнаук

Т.А. ГУРОВА, кандидат селъскохозяйственныхнаук

Сибирский ФТИ аграрных проблем

Концепция модели сорта основана на положении о том, что новые сорта должны быть адаптированы к условиям предполагаемой зоны их произрастания, отвечать заданным параметрам по продуктивности и качеству, обладать стабильностью урожаев при неустойчивом гидротермическом режиме, превосходить все возделываемые в зоне сорта по комплексу или по определяющим показателям.

Поэтому в селекционной работе необходимо уже на ранних этапах проводить оценку перспективного материала на устойчивость к факторам среды (засухе, повышенным и пониженным температурам), возбудителям болезней, вредителям и др. Такая диагностика сопряжена с проблемой выбора объективных количественных критериев оценки генотипов. Говоря об их содержании, как правило, различают 2 аспекта — биологический и агрономический. В агрономическом понимании стрес-соустойчивость характеризует степень снижения сортом продуктивности в экстремальных условиях, по сравнению с величиной этого показателя без воздействия. Однако на практике определение такого соотношения достаточно трудоемкая, длительная, а иногда и трудно выполнимая задача. Поэтому оценка устойчивости часто проводится лабораторными методами, прямыми и косвенными. Их применение основано на закономерностях, выявленных при исследовании растений в контролируемых условиях при моделировании разных типов стрессов с нормированием времени и силы их воздействия. Косвенные методы базируются на регистрации изменений ряда физиологических, биохимических и биофизических параметров, которые коррелируют с продуктивностью или другими хозяйственно-ценными признаками и могут быть измерены инструментально.

В Сибирском физико-техническом институте аграрных проблем уже имеются положительные результаты в области разработки технических средств и методов диагностики селекционного материала и отбора наиболее ценных форм, которые могут найти применение в научно-исследовательских учреждениях биологического и сельскохозяйственного профиля. К их числу относится автоматизированный комплекс измерительной аппаратуры, включающий регистраторы замедленной флуоресценции (ЗФ) растений «ФОТОН», «ФОТОН-7», установку для исследования сверхслабого свечения корней и жидких сред «ФОТОН-6», экспериментальный образец прибора для оценки проницаемости клеточных мембран, компьютерный измеритель площади листьев «ЛИСТО-МЕР». Для выращивания растений в контролируемых

условиях в СибФТИ созданы установки искусственного климата «БИОТРОН-3» и «БИОТРОН-4».

Измерительный комплекс оборудован средствами автоматизации экспериментальных исследований, которые включают IBM/PC, плату АЦП PCL-818L, программное обеспечение «Experiment Developer», выполненное с использованием виртуальных технологий.

Эта аппаратура позволяет оценивать устойчивость растений к различным биотическим и абиотическим стрессовым факторам среды.

Замедленная флуоресценция листьев, непосредственно связана с основным каналом утилизации световой энергии при фотосинтезе, поэтому ее регистрация позволяет исследовать устойчивость растительных организмов по функциональному состоянию мембран хлоропластов.

При действии стрессовых факторов (засоление, наличие токсинов возбудителей болезней, повышение и понижение температуры) могут происходить нарушения световых и темновых реакций фотосинтеза, что приводит к изменению величины и кинетики замедленной флуоресценции растительных тканей.

Установка «ФОТОН-7» содержит устройство для нагрева (до 40°С) и охлаждения исследуемого образца листьев в разовом и циклическом режимах (от 25°С до минус 5°С). Это дает возможность диагностировать жаро- и морозоустойчивость, а также способность выдерживать совместное влияние температурного и токсического факторов у различных сельскохозяйственных культур.

При регистрации замедленной флуоресценции листьев яровой мягкой пшеницы в условиях действия повышенных и пониженных температур на фоне хло-ридного засоления мы выявили значительное изменение уровня и кинетики ЗФ, что свидетельствует о нарушениях в мембранных структурах хлоропластов при совместном влиянии перечисленых факторов. В этом случае реакция устойчивых сортов пшеницы была менее выражена, чем у неустойчивых.

Токсины возбудителя обыкновенной корневой гнили злаков, одного из наиболее вредоносных заболеваний пшеницы и ячменя, блокируют перенос электронов в транспортной цепи фотосистемы II, что приводит к нарушениям процессов запасания энергии при фотосинтезе. Мы установили, что уровень и кинетика ЗФ листовой ткани растений при этом заболевании существенно изменяются и прослеживается ярко выраженная сортовая специфика. Оценка устойчивости 36 сортов мягкой яровой пшеницы к корневой гнили злаков по замедленной флуоресценции и по ростовым процессам показала высокую степень совпадения результатов. Коэффициент корреляции рангов составил 0,86.

В результате изучения устойчивости сортов яровой пшеницы и ячменя к возбудителю обыкновенной корневой гнили злаков на установках «ФОТОН» и «ФО-

ТОН 6» мы разработали 2 метода (рис. 1) ее оценки (по ЗФ листьев и свечению корневых вытяжек) [1,2|.

80

Пшеница

Ячмень

60

5 50

о

2 40 X

30

о

140

¿Є120

Li

а)

О

г го

Рис. 1. Относительные изменения при инфицировании корневом гнилью: и) - -замедленной фдуорнсиенинп листьев проростковсортон пшеницы и ячмсня:Н- неустойчивые сорта.  - устойчивые сорта: 6)-свечения корневых вытяжек и ростовых процессов проростков сортов пшеницы (/- Саратовская 29; 2 -Ба ганская 93; .?- Новосибирская 89; 4- Скала; 5 - Цеиум III). И - подавление ростовых процессов.!!] - свечение корневых вытяжек.

Поражение возбудителями листостебельных инфекций вызывает появление на листовых пластинках растений штрихов, пятен, некрозов, приводящих к уменьшению ассимиляционной поверхности в результате чего снижается фотосинтетическая продуктивность и соответственно урожайность. Поэтому площадь пораженной листовой поверхности может служить показателем устойчивости растений к возбудителям ржавчины, септо-риоза, мучнистой росы и других болезней, симптомы которых проявляются на листьях.

При измерении на приборе «ЛИСЮМЕР» создается полихромная проекция листа и формируется соответствующий файл, который обрабатывает специальная программа для определения общей и пораженной поверхности, вычисляемой как в абсолютных (см2), так и в относительных (%) единицах.

Входные данные для определения площади - изображения, полученные с помощью сканера, при этом они должны быть максимально схожими с оригиналом и

контрастными, с учетом разрешения при сканировании (значение dpi). Выходные данные — шаблон объекта, числовые значения площади, погрешность измерения.

Исследования проводились на образцах мягкой яровой пшеницы и дикорастущих злаков, пораженных бурой листовой ржавчиной (Puccinia Rob. etDesm), септори-озом (Septorianodorum Berkley, S.triticiRob.etDem, S.gmminis Desm), мучнистой росой (Erysiphe graminis (DC) Speer).

Одновременно с измерениями на «ЛИСТОМЕРе» оценку площади и степени поражения проводили по стандартным фитопатологическим методикам и шкалам (при поражении бурой листовой ржавчиной использовали шкалу Страхова, септориозом — шкалу Джеймса, мучнистой росой — методику ВИЗР) [3].

Была выявлена более высокая точность и дифференцирующая способность приборного метода по сравнению с визуальным, особенно при наличии комплекса листостебельных инфекций. В этом случае определить поражение отдельными возбудителями на компьютерном измерителе не составляет никаких проблем, тогда как подобное разделение симптомов путем визуальной оценки затруднительно.

При изучении реакции растений мягкой яровой пшеницы на хлоридное засоление зафиксирована тесная корреляционная связь между относительным изменением сырой и сухой биомассы ростков и корней проростков и площадью второго листа в лабораторных экспериментах, а также между накоплением биомассы и площадью флагового листа в вегетационном опыте. Коэффициент линейной корреляции составлял /-=0,82...0,98.

Таким образом, «ЛИСТОМЕР» дает возможность оперативно и с высокой точностью определять площадь листьев, значительно снизить погрешность и исключить субъективность оценок при учете степени поражения растений болезнями. «ЛИСТОМЕР» позволяет статистически обрабатывать получаемую информацию и формировать базы экспериментальных данных. Все это может существенно повысить эффективность научных исследований.

Электрофизический метод на основе контроля состояние плазмалеммы, базируется на измерении электрических показателей водных вытяжек из тканей корней и листьев растений, подвергнутых стрессовому воздействию. В качестве критерия устойчивости используются отклонения относительно контроля.

При исследовании 11 сортов мягкой яровой пшеницы сибирской селекции к влиянию хлоридного засоления мы выявили нелинейную зависимость между электрическими параметрами водных вытяжек корней и листьев и биометрическими показателями (длина ростков и корней, их сырая и сухая биомасса). Величина корреляционного отношения составляла г\ = 0,85...0,99 при достоверности связи на уровне р<0,01. Были выделены контрастные по устойчивости группы сортов. При этом групповые средние различались по величине электропроводности водных вытяжек листьев в 4,2 раза, тогда как по ростовым процессам — в 1,2-3,1 раза (рис. 2).

Токсины фитопатогенов, как и засоление, вызывают изменение проницаемости клеточных мембран, что

Рис. 2. Относительные изменения показателей устойчивости мягкой яровой пшеницы к хлоркдному засолению для групп устойчивых н неустойчивых сортов (/ - длина ростков; 2-длина корней;- сухая масса ростков; 4-сухая масса корней; 5-электропроводность водных вытяжек листьев):Н~ группа ус-тойчивыхсортов; - группа неустойчивых сортов.

отражается на выходе электролитов из растительных тканей в раствор и соответственно на значениях электрических параметров водных вытяжек. Так, в результате действия возбудителя обыкновенной корневой гнили злаков у относительно неустойчивого к болезни сорта Обская 14 произошло повышение электропроводности водных вытяжек из листьев, по сравнению с контролем, на 250 %. Изменения были зарегистрированы у растений даже при отсутствии видимых признаков поражения болезнью. У более устойчивого сорта Новосибирская 91 статистически достоверных отклонений величины этого показателя не наблюдалось.

Анализ результатов оценки сортов пшеницы к засолению и корневой гнили показал, что по дифференцирующей способности электрофизический метод находится на уровне, а в ряде случаев превосходит традиционные биометрические.

Таким образом, проведенные исследования свидетельствуют о возможности успешного применения автоматизированного комплекса измерительной аппаратуры для решения селекционных задач, связанных с диагностикой устойчивости новых сортов яровой пшеницы к стрессам различной природы.

Литература

1 Гурова Т.А., Березина В.Ю. Способ определения относительной устойчивости сортов ячменя и пшеницы к обыкновенной корневой гнили злаков. Патент РФ№2166245. Заявл. 20.07.1999, опубл.10.05.2001. Бюл. N913.

2 Гурова Т.А., Березина В.Ю. Способ определения относительной устойчивости сортов пшеницы к обыкновенной корневой гнили злаков. Патент РФ №2188538. Заявл. 27.05.1999, опубл. 10.09.2002.Бюл.№25.

3 Сборник методических рекомендаций по защите растений.// Под ред. Захаренко В. А,- С.-Петербург, 1998. - 306 С.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКИХ СТРУКТУР НА ПРИМЕРЕ МЯСНОГО СЫРЬЯ И СПОСОБЫ ИХ ОЦЕНКИ

Г. В. СЕРОКЛИНОВ, кандидат технических наук

A.B. ГУНЬКО, кандидат технических наук

B.А. УГЛОВ, кандидат биологических наук Сибирский ФТИ аграрных проблем

Предварительный анализ биофизических свойств мясного сырья показывает, что величины показателей его качества обусловлены биохимическими процессами, связанными с изменением состояния тканей под воздействием факторов окружающей среды [1].

С некоторым приближением мясное сырье можно рассматривать как двухфазную систему. Одна из фаз - межклеточная ткань — полупроводник с преобладанием диэлектрических свойств (она весьма устойчива в живом организме и изменчива в мертвом). Вторая — внутриклеточное вещество, представляющее собой электролит и клеточные мембраны (рис. 1) [2]. При таком представлении структурномеханические и биохимические изменения в мясе отражают его электрофизические свойства, которые характеризуются диэлектрической проницаемостью и удельной электрической проводимостью [3].

Рассматривая клетки живого организма, как электрически изолированные одна от другой (например, оболочка эритроцита обладает диэлектрической постоянной равной 2), можно полагать, что в результате течения послеубойных процессов в мышечной ткани диэлектрические свойства клеточных оболочек должны нарушаться, а из-за деструкции тканей начнут образовывать низкомолекулярные вещества, которые будут «сглаживать» емкостный эффект.

Наружный

*---гидропрофельный

Полярные группы фосфолипидов

Два

нелипидных

монослоя

}

Биомолекулярный липидный слой

и и и

Внутренний белковый гидрофобный слой

Рис. 1. Унитарная схема асимметричного строения биомембраны (по Дж. Робертсону, 1964).