ДИАГНОСТИКА ХОЛОДОСТОЙКОСТИ ЛИНИЙ КУКУРУЗЫ

УДК 633.15: 631.547.15

Анна Григорьевна ГОРБАЧЕВА, доктор сельскохозяйственных наук, главный научный сотрудник, и. о. заведующей отделом первичного и элитного семеноводства кукурузы

Ирина Анатольевна ВЕТОШКИНА, старший научный сотрудник

отдела первичного и элитного семеноводства кукурузы

 

ФГБНУ ВНИИ кукурузы; 357528, Ставропольский край, г. Пятигорск, ул. Ермолова, 14б

E—mail:976067@mail.ru; тел. 8(8793)97-60-67

 

Для регионов с ограниченным периодом вегетации и ранних посевов кукурузы важнейшим адаптационным признаком является холодостойкость. Стресс от низких температур наиболее вероятен в период прорастания семян. Проведенные исследования были направлены на изучение потенциала холодостойкости и сравнение методов диагностики этого признака в лабораторных и полевых условиях на проростках кукурузы с использованием контрастных сроков посева. Проведена оценка восьми элитных линий кукурузы по лабораторной всхожести семян в оптимальных условиях (5 суток при 25⁰С) и в условиях холодного стресса (20 суток при 10⁰С + 3 суток отращивание при 25⁰С). Выделены толерантные и резистентные к холоду линии кукурузы. Показана прямая зависимость холодостойкости от поражения семян фузариозом, длины ростков и корешков проростков и содержания в них сухого вещества. Полученные данные по полевой всхожести семян при раннем и оптимальном сроках посева в большинстве случаев подтверждают холодостойкость линий, выделенных лабораторным путем. В результате исследований линии кукурузы РГС 201, ИКВ 98-5, РП 110 SD, РГ 218 ВС отнесены к толерантным к холоду, линия РВ 197 МВ – резистентной к холоду. Эти линии рекомендованы для использования в селекции холодостойких гибридов кукурузы. Для предварительной оценки холодостойкости линий рекомендуется использовать любой из описанных в статье методов диагностики.

Ключевые слова: семена, линии кукурузы, лабораторная всхожесть, полевая всхожесть, посевные качества семян, потенциальная холодостойкость, сохранение всхожести, длина ростков и корешков, сухое вещество.

 

Создание и внедрение в производство  холодостойких раннеспелых и среднеранних высокопродуктивных гибридов кукурузы предполагает оценку и отбор устойчивого к пониженным положительным температурам селекционного материала. Успех селекции гибридов кукурузы на холодостойкость будет зависеть от  наличия селекционного материала и используемых методов диагностики. Низкотемпературный стресс для кукурузы наиболее вероятен в период прорастания семян.        Механизмы устойчивости кукурузы к воздействию пониженных температур очень разнообразны. Генетическая природа наследования холодостойкости очень сложна и на нее влияют многочисленные факторы окружающей среды  [5, 6, 8].

Показателями холодостойкости, позволяющими оценить комплексное действие абиотических и биотических факторов, служат лабораторная всхожесть семян, определяемая методом холодного проращивания, полевая всхожесть семян при ранних и оптимальных сроках посева, энергия роста в начальный период,  продуктивность при различной степени понижения температур в период вегетации [1, 2, 3, 7]. 

Цель работы – выделение наиболее  холодостойких линий кукурузы и включение их в селекционные программы для создания холодостойких высокопродуктивных гибридов кукурузы с использованием различных методов диагностики.

 

Материал и методика

Материалом для изучения послужили 8 элитных линий кукурузы с высокой комбинационной способностью, используемых в селекционных программах ФГБНУ ВНИИ кукурузы. Холодостойкость изучали в лабораторных условиях рулонным методом холодного проращивания в модификации Н.И. Кияшко [3] и в полевых условиях в раннем и оптимальном сроках посева. Рулонный метод – это контрольное проращивание семян при 25⁰С в течение 5 суток  и холодное проращивание  при 10⁰С в течение 20 суток с последующим отращиванием в течение 3 суток при 25⁰С и подсчетом проросших семян после каждого этапа проращивания.

Полевые опыты закладывали при двух сроках посева (ранний и оптимальный) на опытном поле института в соответствии с методическими рекомендациями [4]. Полевую всхожесть семян определяли путем подсчета всех появившихся проростков.

 

Результаты исследований

Полученные данные лабораторных исследований показали дифференциацию изучаемых линий кукурузы на действие низких положительных температур. Чтобы сделать показатели холодного проращивания и отращивания семян независимыми от исходной всхожести семян [3, 7] подсчитали  их величину по отношению к числу нормально проросших семян в оптимальных условиях.  

Соотношение процента семян, способных прорастать при субоптимальной температуре (10⁰С) к проценту семян, способных прорастать при оптимальных условиях, назвали «потенциальной холодостойкостью» (ПХ). Это толерантные образцы с активным типом устойчивости. Соотношение же процента семян сохранивших всхожесть после отрастания при температуре 25⁰С к проценту семян, способных прорастать при оптимальных условиях, назвали «сохранением всхожести» (СВ). Этот показатель характеризует способность генотипа выживать и давать нормальные проростки после окончания действия субоптимальных температур. Такие образцы называются резистентными к холоду. В результате образцы с высокими (ПХ) и (СВ) толерантны к холоду, а с низким (ПХ) и высоким (СВ) – резистентны к холоду. Результаты изучения холодостойкости линий кукурузы в опыте представлены в таблице 1.

 

Таблица 1. Результаты изучения холодостойкости родительских форм линий кукурузы, 2015г.

Примечание: 1 – контроль (5 суток при  25⁰С);

                       2 – опыт (20 суток при  10⁰С);

                       3 – опыт + доращивание 3 суток при 25⁰С

 

Лабораторная всхожесть семян линий в контрольном проращивании при  25⁰С находилась в пределах 75-98%. При выдерживании семян в термостате при 10⁰С в течение 20 суток проростки появились у 66-85% зерен. В результате доращивания этих же семян в течение трех суток при температуре 25⁰С всхожесть линий составила 27-86%. В результате высокие показатели потенциальной холодостойкости (ПХ) (90%) отмечены для линий РП 110 SD, РП 510 и РС 201;  высокие показатели сохранения всхожести (СВ) (88%) отмечены для линий  РВ 197 МВ и РП 110 SD . Учитывая оба эти показателя, холодостойкость была выражена через индекс, где первая цифра характеризует (ПХ), а вторая – (СВ) [3, 7]. В соответствии с этим принципом первые  5 линий отнесены к I группе холодостойкости, где (ПХ) и (СВ) не ниже 70%. Линии РП 510, РС 201 отнесены к III группе холодостойкости, где (ПХ) выше 70%, а (СВ) выше 50%.  Линия РМ 330 отнесена к V группе холодостойкости, где (СВ) ниже 50%. На основании вышеизложенного линии кукурузы РГС 201, ИКВ 98-5, РП 110 SD, РГ 218 ВС можно отнести к толерантным к холоду, линию РВ 197 МВ – резистентной к холоду.

         Изучаемые линии различались по степени поражения семян фузариозом при прорастании. В контрольном проращивании семена  линий первой группы холодостойкости поражались фузариозом в пределах 0-8%, третьей – 13-39%, пятой – 43%. После доращивании уже 26-93% семян были поражены фузариозом. При этом процент пораженных семян линий первой группы составил 26-72%, третьей – 72-76%, пятой – 93%. Таким образом, мы видим, что у линий третьей и пятой групп высокий процент поражения семян фузариозом и низкая лабораторная всхожесть семян. Возможно, восприимчивость семян к фузариозу и явилась причиной снижения всхожести семян. У линий первой группы холодостойкости высокий процент поражения семян фузариозом не всегда приводил к значительному снижению лабораторной всхожести семян.

Полевые исследования были проведены в 2015 г. на опытном поле института. Ранний посев –14 апреля, всходы появились 6-8 мая, оптимальный посев – 29 апреля, всходы появились – 17-18 мая. Среднесуточная температура воздуха в апреле месяце  во ВНИИ кукурузы  составила всего 7,8⁰С, в первой декаде мая не превышала 13,3⁰С. Поэтому всходы в раннем сроке посева появились только через 23-25 дн, при оптимальном сроке посева через – 19-20 дн. Причина затяжного появления всходов – пониженная температура воздуха и, соответственно, почвы.

Полевая всхожесть семян в раннем сроке посева у линий первой группы составила 72-93%,  в оптимальном сроке – 87-93%. Эти показатели выше, чем у представителей других групп холодостойкости. Полевая всхожесть свыше 90% в раннем и оптимальном сроках посева оказалась у линий ИКВ 98-5 и  РВ 197 МВ. При этом потенциальная холодостойкость (ПХ) и сохранение всхожести (СВ) у этих линий были соответственно 79%, 75% и 72%, 88%. В пределах одной группы холодостойкости не всегда линии с высокими показателями (ПХ) и (СВ) имели высокие значения полевой всхожести (рис. 1).

У линий третьей и пятой групп показатели (СВ) были ниже представителей первой группы, соответственно, и уровень полевой всхожести семян в обоих сроках посева оказался ниже линий первой группы. Возможно, этому способствовал сравнительно высокий уровень поражения семян фузариозом, особенно, на варианте  после доращивания. Полевая всхожесть семян линии РМ 330 в раннем сроке посева составила всего 34%, в оптимальном сроке – 43%. Поражение семян этой линии фузариозом в лабораторном опыте достигало 93% (таблица 1).

         Несоответствие между результатами лабораторных и полевых исследований по отдельным линиям предполагает, что холодостойкость определяется сложным взаимодействием генетических и паталогических факторов, оказывающих физическое и физиологическое действие на семена линий кукурузы при прорастании. Наглядный  пример генетического разнообразия линий кукурузы в опыте в плане холодостойкости – это длина ростка и корешка (рис. 2).

Почти все линии первой группы холодостойкости (кроме линии РГ 218 ВС) на контроле имели более развитую корневую систему (длина корешка 9,6-12,1 см) по сравнению с линиями других групп. Линия РГ 218 ВС  имела длинный росток (7,7 см), что на уровне или длиннее линий первой группы холодостойкости, но гораздо длиннее всех линий третьей и пятой групп. Длина корешка линий третьей и пятой групп не превышала 8,4-8,9 см, ростка – 6,4-7,1 см.

В опыте после стресса от холода длина ростка линий первой группы (кроме линии РГ 218 ВС) уменьшилась всего на 0,1-1,0 см, других линий на 1,6-3,5 см. Длина корешка всех линий в этом же опыте также уменьшилась по сравнению с контролем на 0,9-6,6 см. В условиях холодного стресса меньше всего сократилась длина корешка у линий РС 201 (-0,9 см), РГС 201 (-1,8 см), РП 510 (-1,9 см). Худшие данные по этому показателю у не холодостойкой линии пятой группы РМ 330 (-6,6 см).

         Другой показатель, характеризующий индивидуальную реакцию линий на холод – сухое вещество ростков и корешков на контроле и в условиях после стресса от холода (рис. 3).

Накопление сухого вещества при оптимальных условиях (25⁰С)  интенсивнее проходило в ростках, чем в корешках. Лидеры по накоплению сухого вещества в ростках  линии РП 510 (0,77 г), РГС 201 (0,75 г), ИКВ 98-5 (0,68 г). При этом у линии РП 510 в условиях холодного стресса почти в 2 раза сократилось количество сухого вещества в проростках. Самые низкие показатели по сухому веществу как в проростках так и, особенно, в корешках у линии РМ 330.

         Почти у всех линий первой группы холодостойкости количество сухого вещества в корешках, особенно при благоприятных условиях, выше (0,42-0,68 г) по сравнению с другими линиями.  При этом у линий ИКВ 98-5 и РГ 218 ВС в условиях холодного стресса количество сухого вещества резко уменьшилось и составило всего соответственно 0,13 и 0,11 г.

Уникальна по содержанию сухого вещества на всех вариантах опыта линия РВ 197 MB. В ростках и корешках этой линии почти одинаковое количество сухого вещества (0,42 и 0,40 г). При этом в условиях стресса  от холода содержание сухого вещества в этой линии падает меньше, чем у других линий в опыте. Именно эта линия имела самые высокие показатели полевой всхожести семян в обоих сроках посева.

 

Выводы

Таким образом, для выявления и диагностики холодостойких линий кукурузы необходимо проводить лабораторные и полевые исследования. Семена кукурузы менее устойчивые к холоду более чувствительны к пониженным температурам. Высокая полевая всхожесть при раннем сроке посева, устойчивость к поражению семян фузариозом, длина ростков и корешков, высокое содержание сухого вещества в ростках и корешках в лабораторных исследованиях предполагает и высокую холодостойкость. Наиболее устойчивые к пониженным температурам линии могут прорастать без значительных повреждений и развивать нормальные проростки. По результатам изучения линии кукурузы РГС 201, ИКВ 98-5, РП 110 SD, РГ 218 ВС отнесены к толерантным к холоду, линия РВ 197 МВ – резистентной к холоду.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вишневский Н.В. Морфофизиологическая оценка устойчивости кукурузы к экстремальным условиям по комплексу признаков. Днепропетровск: Селекция и семеноводство кукурузы, 1986. – С. 152-157.
2. Задонцев А.И., Макаров Б.Д. Влияние температурных условий на морфофизиологическую изменчивость проростков кукурузы //Всесоюзный ордена Трудового Красного Знамени НИИ кукурузы. Селекция и физиология, технология и механизация возделывания кукурузы и других полевых культур (сборник научных статей). Днепропетровск. 1973. – С. 35-39.
3.  Кияшко Н.И. Физиологические особенности холодоустойчивости линий и гибридов кукурузы (Zea mais L.) Автореф. … кандидата биол. наук. – Санкт-Петербург, 1992. – 19 с.
4.  Методические рекомендации по проведению полевых опытов с кукурузой // ВНИИ кукурузы ВАСХНИЛ. Днепропетровск, 1980. – 54 с.
5. Мишустина П.С., Петров О.В. Физиологические критерии холодостойкости кукурузы // Физиологические основы высокой продуктивности кукурузы. Киев: Наукова думка, 1983. – С. 162-165.
6.  Панфилов А.Э., Горбачева А.Г., Ветошкина И.А., Колесникова Н.А. Норма и стабильность реакции гибридов кукурузы на температуру почвы в период прорастания / Вестник ЧГАА. 2015. – Т. 71. С. 102-106.
7.  Филь И.Н. Оценка образцов кукурузы на холодостойкость. // Кукуруза и сорго. 2009. № 5. С. 14-16.
8.  Югенхеймер Р.У. Кукуруза: улучшение сортов, производство семян, использование / Р.У. Югенхеймер // –  М. – 1979. 520 с.

 

COLD RESISTANCE DIAGNOSIS OF CORN LINES

Gorbacheva Anna Grigorievna, Vetoshkina Irina Anatolyevna

FSBSI ARRSI of Corn

For regions with a limited period of vegetation and early corn sowing, the most important adaptation feature is cold resistance. Stress from low temperatures is most likely during the seeds germination. The conducted studies were aimed at studying the cold-resistance potential and comparing the diagnostic methods for this trait in laboratory and field conditions on corn seedlings using contrasting planting times. The estimation of eight elite corn lines was carried out according to the laboratory seeds germination under optimal conditions (5 days at 25^oC) and under conditions of cold stress (20 days at 10^oC + 3 days growing at 25^oC). There were distinguished tolerant and cold resistant corn lines. The direct dependence of cold resistance against seed fusarium infection, sprouts and seedlings rootlets length and dry matter content in them is shown. The obtained data on the field seeds germination with early and optimal sowing times in most cases confirm the cold resistance of the lines distinguished in the laboratory. As a result of research on the corn line, RGS 201, IKV 98-5, RP 110 SD, RG 218 BC are classified as cold tolerant, the line RV 197 MV – as cold-resistant. These lines are recommended for use in the breeding of cold-resistant corn hybrids. For a preliminary assessment of the lines cold resistance, it is recommended to use any of the diagnostic methods described in the article.

Keywords: seeds, corn lines, laboratory germination, field germination, sowing seed quality, potential cold resistance, germination saving, sprouts and rootlets length, dry matter.