AN EVALUATION OF RELATIVE DROUGHT TOLERANCE OF SUGAR MAIZE VARIETIES UNDER LABORATORY CONDITIONS

Research article
DOI:
https://doi.org/10.23649/JAE.2023.33.4
Issue: № 5 (33), 2023
Suggested:
04.04.2023
Accepted:
14.04.2023
Published:
19.05.2023
802
7
XML
PDF

Abstract

The article examines the results of a study of the relative drought tolerance of sugarcane varieties. For the experiment, healthy, fulfilled grains in number of 50 pieces in triplicate were selected. In the control variant, seeds were germinated in distilled water, and in the experimental variant in sucrose solution with osmotic pressure of 9 and 12 atm. The parameter of drought tolerance was the proportion of germinated grains in the experiment in relation to the control. For in-depth evaluation, we used the criterion of dry weight accumulation by the seedlings. Determination of germination of seeds of maize hybrids on solutions with different degrees of osmotic pressure revealed the differences of the studied samples. The decrease of seed germination with increase of osmotic pressure from 94.7% to 67.07 and 51.06% was noted. The reduction of the sum of dry weight as compared with the control was: 72% on the osmotic solution of 9 atm and 83% on the solution of 12 atm. According to the percentage of seed germination on sucrose solution with osmotic pressure of 9 atm the relative drought tolerance was shown by the following samples: k-3151, Alina, k-4444, k-13807, Zabava/k-4452, Tsukerka/k-103, and on 12 atm osmotic solution – Zabava/k-4452 (tester hybrid) and Tsukerka I2. It was revealed that sucrose solutions at concentrations of 9 and 12 atm had a significant inhibitory effect on dry matter accumulation by seedlings of the studied forms of sugar maize compared with the control. The weakest depression of growth processes in seedlings grown on solution of 9 atm was observed in cultivars K-3151 and K-291, while K-3151 and self-pollinated form (I2) of Zukurka variety were grown on solution of 12 atm. The most significant correlations between the studied traits were also revealed. According to the results of the study of correlations between the studied traits, the most significant relationship was found between the accumulation of dry weight of seedlings grown on 12 atm solution and their degree of depression (r = -0.96) (coefficient determination R2=0.91).

1. Введение

При подборе гибридов и сортов любой культуры необходимо учитывать все стрессовые факторы для конкретной зоны, в том числе и водный режим. Кукуруза экономнее других растений расходует влагу. Коэффициент транспирации составляет 230-250, в то время как у пшеницы он колеблется в пределах 430, у овса 430, у ячменя 382, проса 266. При прорастании потребность зерновок кукурузы во влаге составляет 44% от собственной массы, в то время как у пшеницы она составляет 55%, ячменю 50, овсу 65%. Оптимальное количество осадков для вегетации кукурузы принято считать 450-600 мм, а влажность почвы 60-75%

,
,
.

Наибольшая потребность во влаге – во время всходов, за десять дней до выметывания и спустя 15-20 дней после выметывания (когда формируется пыльца и начинается формирование семян). Недостаток воды в эти периоды приводит в итоге к снижению урожая

.

Так как окружающая среда оказывает значимое влияние на онтогенез растений, требования к сорту или гибриду должны зависеть от зоны возделывания. Также должны быть определены признаки и свойства, необходимые для большинства природных зон

.

Погодные условия Нижневолжского региона, в частности Саратовской области, в период вегетации характеризуются высокой температурой воздуха, недостаточным количеством осадков и неравномерным их распределением. Вопрос о получении исходного материала для селекции новых сортов и гибридов сахарной кукурузы, устойчивого к засушливым условиям, остается актуальным.

2. Методы и методы исследования

Для изучения засухоустойчивости сахарной кукурузы были отобраны наиболее перспективные сортообразцы коллекции ВИР, Российской селекции, а также тестерные гибриды F1: к-3151, к-1585, Алина, к-4475, Услада, Краснодарский сахарный 250, к-103, к-4444, к-4456, к-13807, Цукерка, к-103, к-291, к-4840, Забава, Цукерка/к-103, Забава/ к-4452, Цукерка I2.

Один из методов оценки относительной засухоустойчивости основан на лабораторном мониторинге процесса прорастания семян и формирования проростков на растворах осмотиков, имитирующих недостаток влаги

,
. Данную методику возможно использовать для определения засухоустойчивости у разных сельскохозяйственных культур
,
.

Исследования проводились в 2023 г., двукратно, в трех повторностях. При рассмотрении результатов использовали средние данные. Были отобраны здоровые, выполненные зерна в количестве 50 штук. В контрольном варианте семена проращивали в дистиллированной воде, а в опытном – в растворе сахарозы с осмотическим давлением 9 и 12 атм. (концентрация: 124 г, 165 г сахарозы на 1 л соответственно). Объем дистиллированной воды и раствора сахарозы одинаков как в контрольном варианте, так и в опытных вариантах. Учет всхожести семян, проросших в растворах сахарозы (и соответствующего контроля), проводился на 6 день (более длительное время приводит к развитию плесени). Проросшими считают семена, имеющие корешок не менее 1 см.

Доля прорастания зерновок в опыте по отношению к контролю являлась критерием засухоустойчивости, а для углубленной оценки выделившихся образцов, согласно вышеуказанным методикам, использовали критерий накопления сухой массы проростками

,
.

Статистическая обработка экспериментальных данных проведена методом дисперсионного, корреляционного анализов с использованием пакета программ Excel, AGRОS2.07, а также методом обработки данных при альтернативной изменчивости

,
,
.

Исследования выполнены в 2023 году по государственному заданию Министерства сельского хозяйства РФ.

3. Основные результаты и обсуждение

Определение всхожести семян гибридов кукурузы на растворах с различной степенью осмотического давления позволило выявить различия исследуемых образцов (таблица 1). Отмечено снижение всхожести семян при повышении осмотического давления с 94,7% до 67,07и 51,06% (в среднем). Снижение суммы сухой массы по сравнению с контролем составило: 72% на растворе осмотика 9 атмосфер и 83% 12 атмосфер.

По проценту прорастания зерновок в осмотических растворах изучаемые формы условно распределили на четыре группы: слабоустойчивые (всхожесть семян ≤ 25 %), среднеустойчивые (25…50 %), устойчивость вышесредней – (50…75%) и высокоустойчивые (≥75%). На растворе сахарозы с осмотическим давлением 9 атмосфер высокую степень относительной засухоустойчивости демонстрировали образцы: к-3151, Алина, к-4444, к-13807, Забава/к-4452, Цукерка/к-103. Генотипы с низкой устойчивостью к-1585, к-103.

В качестве дополнительных диагностических признаков были использованы критерий накопления сухой массы проростками сахарной кукурузы: чем меньше масса сухого вещества, тем выше степень депрессии и тем менее устойчив образец. Высокую устойчивость к фактору стресса (степень депрессии<25%) по данному критерию не проявил ни один генотип. Наименьшую депрессию ростовых процессов на растворе 9 атмосфер отметили у сортообразцовк-3151 и к-291.

Таблица 1 - Оценка относительной засухоустойчивости сортообразцов сахарной кукурузы при осмотическом давлении гипертонического раствора 9 атмосфер

Сортообразец

Сумма сухой массы, контроль

Сумма сухой массы, 9атм.

Проросшие семена, %

sp-квадратическая ошибка

 

Доверительный интервал

 

Характеристика устойчивости по проценту прорастания

Степень депрессии %

Характеристика устойчивости по степени депрессии

к-3151

1,04

0,54

88,57

±1,39

89±2,76

высокая

48,46

средняя

к-1585

0,55

0,08

36,67

±0,94

37±1,87

низкая

86,46

низкая

Алина

0,89

0,18

78,13

±1,31

78±2,59

высокая

79,66

низкая

к-4475

1,30

0,20

61,76

±1,23

62±2,43

выше средней

84,60

низкая

Цукерка

0,61

0,18

63,33

±1,18

63±2,34

выше средней

70,49

низкая

Услада

0,83

0,18

70,00

±1,23

70±2,43

высокая

78,33

низкая

Краснодарский сах.250

0,83

0,32

74,07

±1,21

74±2,39

высокая

61,33

ниже средней

к-103

0,86

0,09

39,29

±0,94

39±1,87

ниже средней

89,02

низкая

к-291

0,68

0,34

51,35

±1,18

51±2,34

средняя

49,85

средняя

к-4444

0,52

0,14

75,86

±1,25

76±2,47

высокая

74,05

низкая

к-4456

1,33

0,41

72,73

±1,29

73±2,55

высокая

69,07

ниже средней

к-4840

0,91

0,20

55,17

±1,11

55±2,19

средняя

78,50

низкая

к-13807

1,02

0,38

84,00

±1,23

84±2,43

высокая

62,56

ниже средней

Забава

1,02

0,06

60,00

±1,23

60±2,43

выше средней

94,34

низкая

Забава/к-4452)

1,68

0,46

78,79

±1,32

79±2,62

высокая

72,78

низкая

Цукерка/ к-103

1,22

0,35

80,56

±1,37

81±2,71

высокая

71,59

низкая

ЦукеркаI2

0,61

0,25

70,00

±1,23

70±2,43

высокая

58,51

ниже средней

Среднее

0,93

0,26

67,07

-

-

-

72,33

-

 Доля зерновок, проросших в осмотическом растворе 12 атмосфер варьировала от 32,29 до 70,08% (таблица 2). Высокий процент всхожести был зафиксирован у генотипов Забава/к-4452 (тестерный гибрид) и ЦукеркаI2. Тем не менее доля накопления сухой массы у большинства образцов – низкая (не превышала 32,44%). Наименьшая степень депрессии была выявлена у образца к-3151 и самоопыленной формы (I2) сорта Цукерка.

Таблица 2 - Оценка относительной засухоустойчивости сортообразцов сахарной кукурузы при осмотическом давлении гипертонического раствора 12 атмосфер

Сортообразец

Сумма массы, контроль

Сумма массы, 12атм.

Проросшие семена, %

sp-квадратическая ошибка

 

Доверительный интервал

 

Характеристика устойчивости по проценту прорастания

Степень депрессии %

Характеристика устойчивости по степени депрессии

к-3151

1,04

0,34

57,14

±2,42

57±2,42

выше средней

67,56

ниже средней

к-1585

0,55

0,03

43,33

±2,03

43±2,03

средняя

95,49

низкая

Алина

0,89

0,24

65,63

±2,46

66±2,46

выше средней

72,99

низкая

к-4475

1,30

0,07

35,29

±1,96

35±1,96

средняя

94,46

низкая

к-1976

0,61

0,14

40,00

±1,96

40±1,96

средняя

76,39

низкая

Услада

0,83

0,06

49,98

±2,16

50±2,16

средняя

92,86

низкая

Краснодарский сах.250

0,83

0,06

51,85

±2,10

51±2,10

выше средней

92,97

низкая

к-103

0,86

0,14

49,97

±2,10

50±2,10

средняя

83,88

низкая

к-291

0,68

0,01

32,43

±1,96

32±1,96

средняя

98,10

низкая

к-4444

0,52

0,14

62,07

±2,32

62±2,32

выше средней

74,05

низкая

к-4456

1,33

0,21

45,45

±2,16

45±2,16

средняя

84,61

низкая

к-4840

0,91

0,09

37,93

±1,89

38±1,89

средняя

90,52

низкая

к-13807

1,02

0,24

52,00

±2,03

52±2,03

выше средней

76,55

низкая

Забава

1,02

0,09

37,14

±2,03

37±2,03

средняя

91,41

низкая

Забава/к-4452

1,68

0,39

93,94

±2,79

94±2,79

высокая

76,72

низкая

Цук/ к-103

1,22

0,24

41,67

±2,16

42±2,16

средняя

80,38

низкая

ЦукеркаI2

0,61

0,18

70,08

±2,46

70±2,46

высокая

69,59

ниже средней

Среднее

0,93

0,16

51,06

-

-

-

83,44

-

 Изучение относительной засухоустойчивости генотипов сахарной кукурузы по критерию накопления проростками сухой массы показало, что ни один образец урожая 2022 года, пророщенные в растворах осмотиков, не приблизился по значениям к контролю, а на представленной ниже диаграмме видно значительное уменьшение значений сухой массы (рисунок 1).

Оценка относительной засухоустойчивости образцов сахарной кукурузы по критерию накопления сухой массы проростками в растворах 9 и 12 атмосфер

Рисунок 1 - Оценка относительной засухоустойчивости образцов сахарной кукурузы по критерию накопления сухой массы проростками в растворах 9 и 12 атмосфер

В лабораторных условиях проведена оценка интенсивности начального роста ростков и корешков сортообразцов сахарной кукурузы в условиях дефицита воды, вызванного увеличением концентрации раствора сахарозы (таблица 3). При расчете данных по каждому признаку выявили, что Fфакт>Fтеор., F-критерий значим, нулевая гипотеза отвергается, и, следовательно, имеет смысл проводить дальнейшие исследования.

Таблица 3 - Дисперсионный анализ размеров проростков сортообразцов сахарной кукурузы

Сортообразец

Длина корня

Длина ростка

Длина корня

Длина ростка

Длина корня

Длина ростка

Контроль

9 атмосфер

12 атмосфер

Среднее, см

7,64

6,07

3,54

1,25

2,92

0,93

Fфакт,

125,20*

205,93*

15,07*

46,13*

438,46*

16,78*

НСР0,05

0,46

0,39

0.83

0,23

0,19

0,30

 Экстремумы средних линейных значений длины корня составили: контроль – 4,23…10,81 см, раствор 9 атмосфер – 1,56…5,53 см, 12 атмосфер – 0,51…5,53 см; длины ростка: 3,86…10,18 см, 0,83…2,61 см, 0,00…1,55 см соответственно. В ходе исследования отмечено снижение средних значений длины корешка (от 7,64 см до 3,54 и 2,92 см) и длины проростка (6,07 см до 1,25 и 0,93 см). На рисунках 4, 5 наглядно отражены особенности начального роста проростков на контроле и разных концентрациях раствора сахарозы (рисунки 2, 3). Отмечено, что с увеличением концентрации осмотика уменьшается линейная величина проростков, по сравнению с контрольным вариантом, а изменение показателей размера корней оказалось менее значительным чем ростков. Стоит выделить генотипы к-3151, Цукерка I2, у которых длина корней, относительно контрольного варианта, снизилась незначительно. У образцов Алина, к-4444 и к-13807 наблюдалась стимуляция роста проростков с увеличением концентрации раствора осмотика.
Длина корешков сортообразцов сахарной кукурузы

Рисунок 2 - Длина корешков сортообразцов сахарной кукурузы

Длина ростков сортоообразцов сахарной кукурузы

Рисунок 3 - Длина ростков сортоообразцов сахарной кукурузы

Большинство биологических процессов находятся в тесной зависимости, при этом преобладают стохастические взаимосвязи, когда результативный признак зависит от значений признаков-факторов. Связи между ними обычно носят корреляционный характер, т.е. одному значению изучаемого признака-фактора может соответствовать много значений результативного признака, изменяющихся в различных направлениях.

При помощи анализа коэффициента корреляции можно оценить закономерности передачи признаков родителей своему потомству, взаимосвязи между разнообразными параметрами на генетическом и фенотипическом уровнях, их связи с окружающей средой и т.д. Наиболее значимая взаимосвязь выявлена между суммой сухой массы проростков, выращенных на растворе 12 атмосфер и их степенью депрессии (r= -0,96) (коэффициент детерминации R2=0,91). Отрицательный коэффициент корреляции (обратная взаимосвязь) подтверждает результаты нашего исследования (чем меньше сумма накопленного сухого вещества, тем выше степень депрессии) (рисунок 4). Подобная картина наблюдалась у этих же параметров на 9 атмосферах (r= -0,77). Более слабая взаимосвязь, скорее всего, являлась следствием меньшей реакции образцов на концентрацию раствора. Также значимая, но положительная корреляционная связь была отмечена между длиной корня и длиной ростка на растворе 12 атмосфер (r=0,74), длиной корня (9 атм.) и суммой сухой массы (9 атм.) (рисунок 5) (r=0,78), доли проросших зерновок и суммы массы на растворе 9 атм. (r=0,69).

Взаимосвязь суммы сухой массы и степени депрессии на растворе 12 атмосфер, 2023 г.

Рисунок 4 - Взаимосвязь суммы сухой массы и степени депрессии на растворе 12 атмосфер, 2023 г.

Примечание: ось Х – сумма сухой массы проростков, г, ось Y – степень депрессии, %

Взаимосвязь суммы сухой массы и длины корня на растворе 9 атмосфер, 2023 г.

Рисунок 5 - Взаимосвязь суммы сухой массы и длины корня на растворе 9 атмосфер, 2023 г.

Примечание: ось Х – сумма сухой массы проростков, г, ось Y – степень депрессии, %

4. Заключение

По проценту прорастания семян на растворе сахарозы с осмотическим давлением 9 атмосфер относительную засухоустойчивость демонстрировали образцы: к-3151, Алина, к-4444, к-13807, Забава/к-4452, Цукерка/к-103. Высокий процент всхожести на осмотическом растворе 12 атмосфер  был зафиксирован у генотипов Забава/к-4452 (тестерный гибрид) и Цукерка I2.

Высокую устойчивость к засухе по критерию накопления сухой массы (степень депрессии<25%) на осмотических растворах не проявил ни один генотип. Наиболее слабую депрессию ростовых процессов у проростков, выращенных на растворе 9 атмосфер отметили у сортообразцовк-3151 и к-291 (средняя степень депрессии). На растворе 12 атмосфер доля накопления сухой массы – низкая или ниже средней и не превышала 32,44% относительно контроля. Наименьшую степень депрессии выявили у образца к-3151 и самоопыленной формы (I2) сорта Цукерка. Отметили, что растворы сахарозы в концентрациях 9 и 12 атмосфер оказывали достоверный ингибирующий эффект на накопление сухого вещества проростками изучаемых форм сахарной кукурузы по сравнению с контролем.

По результатам изучения корреляционных связей между изучаемыми признаками наиболее значимая взаимосвязь выявлена между накоплением сухой массы проростками, выращенных на растворе 12 атм. и их степенью депрессии (r= -0,96) (коэффициент детерминации R2=0,91). Подобная картина наблюдалась у этих же параметров на 9 атмосферах (r= -0,77). Также значимая, но положительная корреляционная связь была отмечена между длиной корня и длиной ростка на растворе 12 атмосфер (r=0,74), длиной корня (9 атм.) и суммой сухой массы (9 атм.) (r=0,78), доли проросших зерновок и суммы массы на растворе 9 атм. (r=0,69).

Article metrics

Views:802
Downloads:7
Views
Total:
Views:802