ПРИМЕНЕНИЕ ГИДРОПОНИКИ В КАЧЕСТВЕ ПРИЕМА УСКОРЕНИЯ СЕЛЕКЦИИ
ПРИМЕНЕНИЕ ГИДРОПОНИКИ В КАЧЕСТВЕ ПРИЕМА УСКОРЕНИЯ СЕЛЕКЦИИ
Аннотация
В статье рассматриваются результаты эксперимента по выращиванию подсолнечника в условиях фитотронно-тепличного комплекса на гидропонной среде. Объектом исследования является материал генетической коллекции подсолнечника (Helianthus annuus L.) ФИЦ ВИГРР им. Н.И. Вавилова (ВИР). Цель работы состояла в проведении фенотипирования и возможности получения семян в условиях фитотронно-тепличного комплекса для повышения эффективности селекции. В качестве субстрата применялись маты и кубики из минеральной ваты. Все минеральные вещества, необходимые для развития растений, поступали к растениям помощью автоматического полива. Все минеральные вещества, необходимые для развития растений, поступали к растениям помощью автоматического полива. В состав питательного раствора входили 12 химических элементов: азот (154 мг/л), фосфор (56 мг/л), калий (167 мг/л), кальций (170 мг/л), железо (2,5 мг/л), марганец (0,77 мг/л), цинк (0,33 мг/л), бор (0,5 мг/л), медь (0,063 мг/л), молибден (0,063 мг/л), кобальт (0,02 мг/л) и селен (0,015 мг/л). В процессе эксперимента выявлены достаточно высокие различия между образцами по высоте растения, диаметру стебля, диаметру корзинки, количеству семян с корзинки, что указывает на высокое генетическое разнообразие в представленной выборке. Оценка, согласно методике ООС ФГБУ «Госсорткомиссия», выявила отличимость между образцами по положению корзинки в пространстве, форме семенной стороны корзинки, окраске язычковых и трубчатых цветков, окраске семян. Круглогодичное выращивание растений и получение семян подсолнечника в условиях камеры гидропоники может стать дополнением групповым сетчатым изоляторам при первичном семеноводстве, а также селекционному процессу в полевых условиях.
1. Введение
Обеспеченность населения продуктами растительного питания и в целом продовольственная безопасность государства во многом зависит от повышения урожайности возделываемых культур. Важнейшая роль при этом отводится селекции растений, поскольку сумма затрат в данном случае во много раз меньше, чем при агротехнологиях. Созданный при меньших затратах новый сорт может возделываться более десяти лет, не требует финансовых вложений, а дорогие агротехнические приемы и различные агрохимикаты необходимо применять ежегодно .
Кроме того, эффективность селекционного процесса можно повысить при использовании фитотронно-тепличных комплексов. За счет использования осенне-зимнего периода фитотрон экономит селекционеру 3–4 года работы и избавляет от необходимости в слишком больших площадях питомника отбора. Существует много новых актуальных направлений селекции растений, реализовать которые можно только через организацию селекционного процесса в фитотроне: – создание при полной элиминации лимитирующих факторов среды эталонной коллекции морфотипов разных сортов, сравнение с которой отклонений признаков при воздействии факторов разной напряженности позволит количественно определять адаптивность разных фаз онтогенеза; – создание обратной связи процедур сортоиспытания с селекционером, который будет получать от работников фитотрона конкретные указания по дальнейшему генетическому улучшению сортов .
Одним из ключевых преимуществ фитотронно-тепличного комплекса является способность экономить воду. Традиционные методы ведения сельского хозяйства в тепличных условиях часто требуют большого количества воды, значительная часть которой теряется в результате испарения или стока. В гидропонике вода подается дозировано, что сводит к минимуму потери и снижает потребление воды. Это делает гидропонику идеальным решением для регионов, испытывающих нехватку воды. Сегодня метод беспочвенной культуры является наиболее интенсивным методом растениеводства и успешно применяется во многих государствах в коммерческих целях . Данный метод успешно применяется для получения лекарственного сырья , овощной продукции .
Гидропоника позволяет выращивать растения и вести селекционные работы круглый год, независимо от сезонных ограничений , . Контролируя такие факторы, как температура, освещение и уровень питательных веществ, можно создать оптимальные условия для выращивания различных культур. Гидропонный метод устраняет необходимость в пестицидах и гербицидах, снижая воздействие на окружающую среду, связанное с традиционными методами ведения сельского хозяйства .
Рост и будущее гидропоники во многом зависит от разработки и адаптации менее сложных коммерческих систем. Они должны быть конкурентоспособными по стоимости в отношении высокотехнологичных технологий, созданных и используемых в развитых странах, с использованием природных субстратов, развитием культур с экономическим потенциалом. Между тем, поскольку в мире наблюдается сокращение сельскохозяйственных почв, гидропонная культура становится важной производственной альтернативой на деградированных участках, в особенности, в городских и пригородных районах . Федеральной научно-технической программой развития сельского хозяйства предусмотрено ускоренное развитие средств интенсификации создания новейших селекционных достижений. При этом важным направлением интенсификации селекции становится изучение растений и получение семенного материала в защищенном грунте, в том числе с применением фитотронно-тепличного комплекса . Гидропоника используется интенсивно в промышленных масштабах, в основном, для выращивания овощной, лекарственной или декоративной продукции . Однако для выращивания подсолнечника в селекционных целях существует определенный пробел в подобных исследованиях .
В связи с этим ООО «Русид» была поставлена цель провести анализ фенотипических характеристик подсолнечника в условиях фитотронно-тепличного комплекса.
2. Методы и принципы исследования
В данном исследовании изучали показатели растений коллекционного материала, предоставленного ВИР. Опыт заложен в осенне-зимний период (сентябрь-декабрь 2024 г.) на базе фитотронно-тепличного комплекса ФГБОУ ВО «Вавиловский университет» (г. Саратов). Измерения высоты растений проводились нивелирной рейкой, диаметра корзинки сантиметровой лентой. Для описания фенотипических параметров использованы соответствующие методики , . Выборка составила 20 растений в каждом варианте. Для орошения используется система подачи воды, включающая бак с управляемым электроприводным насосом. В качестве субстрата использовали специализированную минеральную вату с расположенными на его поверхности капельницами, что дает растениям прямой доступ к необходимым питательным веществам, воде и кислороду, а также приводит к более быстрым темпам роста, позволяет увеличить урожай, повысить его качество, уменьшить энергозатраты, совершенствовать водный и воздушный режимы, контролировать минеральное питание (рисунок 1). Условия выращивания растений: гидропонное помещение — температура 20-22 ℃. Длина дня 16 ч. Длина ночи 8 ч. Освещенность на уровне всходов 10–15 килолюкс. Средняя относительная влажность воздуха 60–70%.
В качестве основы для питания был взят состав для овощных культур на базе раствора Кнопа, который в процессе работы модифицировали исходя из реакции 6 объектов исследования. Всего в состав питательного раствора входило 12 химических элементов: N, P, K, Ca, S, Mg, B, Cu, Fe, Mo, Mn и Zn. Используемый состав питательного раствора включает азот (154 мг/л), фосфор (56 мг/л), калий (167 мг/л), кальций (170 мг/л), железо (2,5 мг/л), марганец (0,77 мг/л), цинк (0,33 мг/л), бор (0,5 мг/л), медь (0,063 мг/л), молибден (0,063 мг/л), кобальт (0,02 мг/л) и селен (0,015 мг/л). До посева кубики из минеральной ваты выдерживали в растворе фитоспорина для дезинфекции.
Рисунок 1 - Всходы подсолнечника на минеральном субстрате
3. Основные результаты
Рисунок 2 - Растения подсолнечника в фазу цветения
Эксперимент позволил распределить изучаемый материал по группам спелости (рисунок 3): 1). Ультраскороспелая — к-3675 ВИР 839, к-3702 ВИР 789; 2). скороспелая — к-2315 ВИР АМ, к-3064 RHA 296; 3). раннеспелая — к-2289 СМ13, к-3421 ВИР 649 Rf, к-3554 ВИР 358 Rf, к-3696 ВИР 388Rf, к-3713 ВИР 172 А, к-3714 ВИР 172 Б, к-3765 ВИР 215А, к-3766 ВИР 215Б; 4). среднераннеспелая — к-2310 ВИР 129Б, к-2343, к-2373 77 АВ, к-2374 СМ 90 Rf, к-2529 ВИР 129 А, к-2709 линия ТА-4181-8, к-2717 линия ТА-3692, к-2773 ТА-716-18, к-3065 RHA 297, к-3441 ВИР 636Rf, к-3505 ВИР 681 Rf, к-3683 ВИР 846, 4 к-3692 ВИР 755 Rf; 5). среднеспелая — к-3067 RHA 299, к-3448 ВИР 110 А, к-3449 ВИР 110Б, к-3462 ВИР 151 А, к-3463 ВИР 151 Б, к-3480 ВИР 364 Rf, к-3512 ВИР 340 А, к-3513 ВИР 340 Б, к-3553 Мастер, к-3594 ВИР 130 А, к-3595 ВИР 130 Б, к-3596 ВИР 338, к-3639 ВИР 638 Rf, к-3681 ВИР 747, к-3684 DM2, к-3729 ВИР 848, к-3841 RHA374; 6). среднепоздняя — к-2396 НА 89, к-3556 ВИР 769 Rf, к-3560 ВИР 767 Rf, к-3562 ВИР 866, к-3564 ВИР 770, к-3660 ВИР 633, к-3669 ВИР 117 А, к-3670 ВИР 117 Б.
Таблица 1 - Продолжительность межфазных периодов коллекционного материала подсолнечника в условиях фитотрона в днях
Параметр | Всходы-фаза звездочки | Всходы-бутонизация | Всходы-появление ложноязычковых цветков | Всходы-цветение | Всходы- физиологическая спелость | Всходы-техническая спелость |
St (Мастер) | 37,0 | 42,0 | 53 | 55,0 | 88,0 | 118,0 |
Среднее значение, x | 29,1 | 36,0 | 47,6 | 52,7 | 86,2 | 114,4 |
Ошибка средней, sx | 0,72 | 0,67 | 0,72 | 0,76 | 1,09 | 1,32 |
Коэффициент вариации, V | 17,5 | 13,0 | 10,6 | 10,1 | 8,8 | 8,1 |
Коэффициент асимметрии, A | -0,497 ns | -0,032 ns | -0,472 ns | -0,661 ns | -0,827 | -0,722 |
Коэффициент эксцесса, E | 0,360 ns | -0,604 ns | -0,732 ns | -0,492 ns | -0,032 ns | 2,575 |
min | 14 | 19 | 27 | 32 | 54 | 80 |
max | 37 | 45 | 55 | 61 | 95 | 128 |
Рисунок 3 - Распределение селекционного материала по группам спелости
В то же время наблюдали существенные различия внутри генотипов в диаметре корзинок. Высокий коэффициент вариации (более 20%) отмечен в данном случае у 78% линий, что указывает на сильное влияние условий выращивания при формировании признака. Уменьшение диаметра корзинки оказало непосредственное влияние на показатели продуктивности и урожайности. В сравнении с открытым грунтом показатель семенной продуктивности ниже приблизительно в 3–4 раза. Средняя масса семян с одной корзинки на фертильных растениях составила 3,2 г. Искусственное опыление позволило получить 2,9 г семян с корзинки у стерильных растений. При этом, лишь у одного стерильного аналога не завязались семена (к-3669 ВИР 117 А).
Для характеристики вариационных рядов изучаемых параметров (использованы эмпирические показатели, характеризующие соответствие нормальному распределению. Приближенную оценку соответствия нормальному распределению биометрических показателей при помощи коэффициентов ассиметрии и эксцесса . Ассиметрия считается незначительной при Аs ≤ 0,2, а в случае Аs ≥ 0,5 скошенность сильная. Предельная граница отрицательного эксцесса до Ех = -2. Положительный эксцесс классифицируется как незначительный, если Ех< 0,5. В случае островершинности Ех > 3, а при плосковершинности Ех < 3. В целом несущественное значение коэффициентов асимметрии по большинству изучаемых параметров (исключение — «всходы-физиологическая спелость», «всходы-техническая спелость», «высота растений») и эксцесса (исключение — «всходы-техническая спелость») характеризует исследуемую выборку как соответствующую нормальному распределению.
Таблица 2 - Биометрические показатели коллекционного материала подсолнечника
Параметр | Высота растений, см | Диаметр стебля, мм | Диаметр корзинки, см | Количество листьев на растении, шт. | Количество семян с растения, шт. | Масса семян с корзинки, г |
St (Мастер) | 151,0 | 11,0 | 6,2 | 25,8 | 137,7 | 5,3 |
Среднее значение, x | 124,8 | 9,9 | 4,9 | 23,1 | 96,7 | 3,2 |
Ошибка средней, sx | 3,34 | 0,28 | 0,14 | 0,47 | 8,0 | 0,3 |
Коэффициент вариации, V | 19,0 | 20,0 | 20,2 | 14,4 | 58,3 | 64,9 |
Коэффициент асимметрии, A | -0,919* | 0,148 ns | 0,027 ns | -0,032 ns | 0,077 ns | 0,615 ns |
Коэффициент эксцесса, E | 0,758 ns | 0,379 ns | 0,253 ns | 0,53 ns | -1,105 ns | -0,165 ns |
min | 55,6 | 5,3 | 2,3 | 15,2 | 4,7 | 0,2 |
max | 159,1 | 14,5 | 7,1 | 31,0 | 202,6 | 8,8 |
Отрицательные значения коэффициентов асимметрии указывают на скошенность вариационной кривой в сторону меньших значений таких признаков как «продолжительность межфазных периодов», «высота растения», «количество листьев на растении». По диаметру стебля, диаметру корзинки, количеству семян с растения, массе семян с корзинки выявлена скошенность асимметрии в сторону увеличения значений признаков (А˃0).
Таким образом, исследуемая выборка исходного материала подсолнечника охарактеризовалась достаточно высокими различиями между образцами. При этом, ряд вариантов сформировали высокие растения, однако большинство уступило взятому в качестве стандарта, сорту Мастер (таблица 3). В заложенном эксперименте растения сформировали мелкую или очень мелкую корзинку (диаметр ˂ 10 см). Превышение над стандартом в данном случае отмечено у образцов к-3681 и к-3684. По количеству листьев на растении коллекционный материал распределился на 4 группы: 1). Сформировавшие менее 21 шт. — к-3421 ВИР 649, к-3441 ВИР 636, к-3675 ВИР 839); 2). с малым числом листьев — к-2289 СМ 13, к-3594 ВИР 130 А, к-3660 ВИР 633, к-3660 ВИР 633 (21–25 шт.); 3). среднеоблиственные — к-2396 НА 89, к-2310 ВИР 129 Б, к-3681 ВИР 747; 4). к сформировавшим большое число листьев на растении следует отнести один образец — к-3462 ВИР 151 А (31 шт.).
В представленной выборке 56% образцов уступили стандарту по количеству семян с корзинки (23,9–106,6 шт.), 13% превысили показатель стандарта на 21,4–64,9 шт., один образец (к-3594 ВИР 130 А) сформировал количество семян на уровне стандарта — 137,7 шт.
Таблица 3 - Биометрические параметры селекционного материала подсолнечника в условиях гидропонного выращивания
Генотип | Высота растений, см | Диаметр корзинки, см | Количество листьев на растении, шт. | Количество семян с растения, шт. | ||||
Х | Δ | Х | Δ | Х | Δ | Х | Δ | |
St (Мастер) | 151,0 |
| 6,2 |
| 25,8 |
| 137,7 |
|
к-2289 СМ 13 | 124,6 | -26,4 | 3,9 | -2,3 | 22,1 | -3,7 | 51,3 | -86,4 |
к-2310 ВИР 129 Б | 122,4 | -28,6 | 4,3 | -1,9 | 28,4 | 2,6 | 103,1 | -34,6 |
к-2315 ВИР АМ | 107,2 | -43,8 | 3,8 | -2,4 | 24,1 | -1,7 | 90,0 | -47,7 |
к-2396 НА 89 | 134,3 | -16,7 | 5,9 | -0,3 | 26,3 | 0,5 | 84,5 | -53,2 |
к-2773 ТА 716-18 | 93,9 | -57,1 | 4,9 | -1,3 | 20,0 | -5,8 | 202,6 | 64,9 |
к-3421 ВИР 649 | 90,3 | -60,7 | 4,1 | -2,1 | 17,7 | -8,1 | 106,6 | -31,1 |
к-3441 ВИР 636 | 95,3 | -55,7 | 4,0 | -2,2 | 16,6 | -9,2 | 101,1 | -36,6 |
к-3462 ВИР 151 А | 140,1 | -10,9 | 5,2 | -1,0 | 31,0 | 5,2 | 171,8 | 34,0 |
к-3562 ВИР 866 | 120,1 | -30,9 | 3,4 | -2,8 | 20,9 | -4,9 | 55,6 | -82,1 |
к-3594 ВИР 130 А | 150,6 | -0,4 | 5,7 | -0,5 | 21,8 | -4,0 | 139,8 | 2,1 |
к-3639 ВИР 638 | 106,7 | -44,3 | 5,3 | -0,9 | 22,8 | -3,0 | 159,1 | 21,4 |
к-3660 ВИР 633 | 153,9 | 2,9 | 4,6 | -1,6 | 22,1 | -3,7 | 175,3 | 37,6 |
к-3675 ВИР 839 | 55,6 | -95,4 | 2,3 | -3,9 | 15,2 | -10,6 | 30,6 | -107,1 |
к-3683 ВИР 846 | 101,5 | -49,5 | 5,2 | -1,0 | 21,4 | -4,4 | 23,9 | -113,8 |
к-3692 ВИР 755 | 133,9 | -17,1 | 4,9 | -1,3 | 18,5 | -7,3 | 184,9 | 47,2 |
к-3702 ВИР 789 | 61,4 | -89,6 | 3,0 | -3,2 | 17,6 | -8,2 | 24,4 | -113,3 |
к-3681 ВИР 747 | 157,4 | 6,4 | 7,1 | 0,9 | 29,2 | 3,4 | 182,7 | 45,0 |
к-3684 DM2 | 159,1 | 8,1 | 6,9 | 0,7 | 23,5 | -2,3 | 164,1 | 26,4 |
НСР05 | 13,2 |
| 1,1 |
| 1,6 |
| 9,1 |
|
Примечание: * - Х — среднее значение признака, D — отклонение от стандарта (сорт Мастер)
Оценка коллекционного материала согласно методике ООС ФГБУ «Госсорткомиссия») выявила отличимость между образцами по многим параметрам (таблица 4). Исследуемая выборка включает образцы: по времени цветения — от очень ранних (к-3675 ВИР 839, к-3702 ВИР 789) до средне-поздних (к-2396 НА 89, к-3562 ВИР 866, к-3660 ВИР 633); по характеру ветвления — ветвистые и однокорзиночные; по положению корзинки в пространстве — от вертикальной (к-3702 ВИР 789) до повернутой вниз с изогнутым стеблем (к-2310 ВИР 129 Б, к-2396 НА 89, к-3683 ВИР 846); по форме семенной стороны корзинки — от слабовогнутой (к-2396 НА 89, к-2773 ТА 716-18) до деформированной (к-3594 ВИР 130 А, к-3660 ВИР 633, к-3684 DM2).
Таблица 4 - Характеристика селекционного материала подсолнечника в условиях гидропонного выращивания
Генотип | Время цветения | Язычковый цветок: окраска | Трубчатый цветок: окраска | Ветвление | Корзинка: положение в пространстве | Корзинка: форма семенной стороны | Семянка: основная окраска |
индекс | |||||||
St (Мастер) | 5 | 4 | 2 | 1 | 4 | 3 | 7 |
к-2289 СМ 13 | 3 | 3 | 2 | 1 | 5 | 3 | 7 |
к-2310 ВИР 129 Б | 4 | 3 | 1 | 1 | 7 | 3 | 7 |
к-2315 ВИР АМ | 2 | 3 | 1 | 1 | 5 | 4 | 7 |
к-2396 НА 89 | 6 | 3 | 1 | 1 | 7 | 2 | 7 |
к-2773 ТА 716-18 | 4 | 4 | 1 | 1 | 5 | 2 | 7 |
к-3421 ВИР 649 | 3 | 3 | 1 | 9 | 5 | 2 | 7 |
к-3441 ВИР 636 | 4 | 3 | 1 | 9 | 4 | 3 | 7 |
к-3562 ВИР 866 | 6 | 3 | 2 | 9 | 4 | 3 | 7 |
к-3462 ВИР 151 А | 5 | 4 | 2 | 1 | 4 | 2 | 7 |
к-3594 ВИР 130 А | 5 | 5 | 3 | 9 | 4 | 6 | 1 |
к-3639 ВИР 638 | 5 | 3 | 2 | 1 | 4 | 3 | 7 |
к-3660 ВИР 633 | 6 | 3 | 1 | 9 | 5 | 6 | 7 |
к-3675 ВИР 839 | 1 | 2 | 1 | 9 | 4 | 3 | 7 |
к-3683 ВИР 846 | 4 | 4 | 1 | 9 | 7 | 2 | 3 |
к-3692 ВИР 755 | 4 | 4 | 1 | 9 | 4 | 2 | 7 |
к-3702 ВИР 789 | 1 | 3 | 1 | 9 | 3 | 3 | 7 |
к-3681 ВИР 747 | 5 | 3 | 2 | 1 | 5 | 3 | 7 |
к-3684 DM2 | 5 | 4 | 2 | 1 | 7 | 6 | 7 |
Примечание: согласно методике ФГБУ «Госсорткомиссия» на отличимость, однородность и стабильность параметры растений оцениваются по индексам: время цветения – 1 (очень раннее), 2 (от очень раннего до раннего), 3 (раннее), 4 (от раннего до среднего), 5 (среднее), 6 (от среднего до позднего); язычковый цветок, окраска: 2 (светло-желтый), окраска – 3 (желтая), 4 (оранжево-желтая); трубчатый цветок: окраска – 1 (желтый), 2 (оранжевая), 3 (пурпурная); ветвление – 1 (отсутствует), 9 (имеется); корзинка: положение в пространстве – 3 (вертикальная ) 4 (полуповернутая вниз с прямым стеблем ), 5 (полуповернутая вниз с изогнутым стеблем), 7 (повернутая вниз с изогнутым стеблем); корзинка: форма семенной стороны – 2 (слабовогнутая ), 3 (плоская), 4 (слабовыпуклая), 6 (деформированная); семянка: основная окраска – 1 (белая), 3 (серая), 7 (черная)
У большей части изучаемого материала выявлена черная основная окраска семян, однако, в эксперименте были представлены и образцы с белой (к-3594 ВИР 130 А) и серой (к-3683 ВИР 846) окраской семян. Исследуемые образцы охарактеризовались также различной окраской язычковых и трубчатых цветков. Окраска язычковых цветков представлена светло-желтым (к-3675 ВИР 839), желтым (к-3421 ВИР 649, к-3441 ВИР 636, к-3702 ВИР 789) и оранжево-желтым цветом (к-2773 ТА 716-18, к-3462 ВИР 151 А, к-3683 ВИР 846). Окраска трубчатых цветков представлена желтым (к-2310 ВИР 129 Б, к-2396 НА 89, к-3441 ВИР 636), оранжевым (к-2289 СМ 13, к-3562 ВИР 866, к-3639 ВИР 638) и пурпурным цветом (к-3594 ВИР 130 А).
Уборку корзинок провели при достижении семенами влажности 7–8% в первой декаде января. Полученные семена прошли проверку на энергию прорастания и всхожесть, где показали хорошие результаты. Фертильные растения сформировали достаточное количество семянок для проведения дальнейших исследований.
4. Заключение
Опыт выращивания подсолнечника в помещении на гидропонном методе показал возможность получения дополнительного семенного материала в осенне-зимний период. А также, позволил провести фенотипическую оценку селекционного материала. Таким образом, подтверждается мнение других ученых, что наличие фитотронно-тепличных комплексов может способствовать решению различных важнейших стратегических задач: таких как создание непрерывно работающего конвейера по эколого-генетическому скринингу коллекции ВИРа при подборе родительских пар для гибридизации и созданию сортов для любой экологической зоны РФ и мира , . Селекционный фитотрон позволяет в любую фазу онтогенеза родителей и гибридов создать необходимый лимитирующий фактор среды и выявить генетико-физиологическую реакцию растительного организма на признак, закладывающийся в эту фазу. Стоимость экологических испытаний в фитотроне можно уменьшить в разы, тем самым снизить стоимость создания сорта и существенно увеличить конкурентоспособность сортов РФ на мировых рынках.