Статья: Индукция цветения и семенная продуктивность ди- и тетраплоидных сортов Стевии на черноземе выщелоченном Центрального Предкавказья

Введение

Стевия (Stevia rebaudiana Bertoni) - продуцент нативного заменителя сахара для диабетиков, является самой молодой сельскохозяйственной культурой в современном растениеводстве. По сладости сухой лист стевии превосходит сахар в 30-50 раз. Сладкий вкус листьев стевии обеспечивают сладкие дитерпеновые гликозиды (стевиазиды, ребаудиазиды и др.), которые в 300-500 раз слаще сахара и расщепляются в организме человека и животных без инсулина. В отличие от искусственных заменителей сахара, которые оказывают вредное влияние на организм человека, естественные заменители сахара на основе листьев стевии улучшаю деятельность сердечно-сосудистой и пищеварительной системы, способствуя повышению иммунитета, проявляют антиоксидантные свойства [1].Эта культура обладает большим адаптивным потенциалом, способна формировать большую урожайность листовой массы в условиях умеренного климата. Ее выращивание рентабельно, вследствие высокого рейтинга цен на сухой лист стевии и получаемый из него стевиазид. Особое значение имеет социальный аспект возделывания этой культуры, так как с увеличением контингента больных диабетом растет потребность в производстве лечебно-профилактических продуктов питания с содержанием безопасных естественных заменителей сахара.

Естественным ареалом произрастания Stevia rebaudiana Bertoni является северо-восточная область Парагвая, которая граничит с Бразилией. Область ее распространения лежит между 22-25о южной широты и 55-56о восточной долготы [2]. Встречается она в культурных посадках в Бразилии и Аргентине. Листья стевии с давних времён использовались индейцами для подслащивания чая. В странах Латинской Америки и Юго-Восточной Азии ее начали возделывать в конце 50-х годов XX века [3]. Затем она была интродуцированна в США и страны Южной Европы [4]. Интродукция стевии в Центральную Европу была начата в 80-е годы ХХ столетия. Интродукцией стевии в нашей стране начали заниматься учёные ВИР. Еще Н.И.Вавилов обратил внимание и предсказал большое будущее стевии. Он впервые привёз в Россию семена стевии, однако, они оказались невсхожими. В дальнейшем исследования этой культуры были прекращены. После длительного перерыва в 70-е годы экспедицией ВИР из Испании были доставлены живые растения стевии и переданы на изучение в Главный Никитский ботанический сад г. Ялта, Крым, Украина [5].

С 1996 года стевия была впервые включена в Государственный реестр селекционных достижений, допущенных к использованию в Российской Федерации. В 2011г. к использованию в России допущены 5 сортов стевии [6].

Агроклиматические условия Ставропольского края позволяют возделывать стевию, но введение ее в культуру земледелия региона сдерживается недостаточной изученностью биологических особенностей размножения этой культуры [7]. Успех интродукции новой культуры в значительной степени определяется устойчивостью семенного размножения в новых условиях произрастания.

Материалы и методика

Целью работы явилось изучение особенностей биологии цветения ди- и тетраплоидных сортов стевии и возможность индукции цветения для обеспечения устойчивой семенной продуктивности на черноземе выщелоченном Центрального Предкавказья.

Материалом исследований служили диплоидные сорта стевии: Рамонская сластена (селекции ВНИИСС им. А.Л. Мазлумова), Ставропольская сластена (селекции ФГБОУ ВПО Ставропольский ГАУ), и тетраплоидные сорта стевии: Услада и София (селекции ВНИИСС им. А.Л. Мазлумова), которые допущены к использованию в Российской Федерации[6]. цветение продуктивность семенной стевия

Для изучения биологии цветения сортов стевии в 2008-2009 гг. по предшественнику озимая пшеница был заложен специальный питомник. На однорядковых делянках в оптимальные сроки (20 июня) высаживали по 24 растения, выращенной в теплице 25-ти дневной рассады, каждого сорта. Ширина междурядий составила 0,70 м, расстояние между растениями в ряду 0,30 м. После высадки рассаду поливали из расчета 0,5 л на одно растение. Приживаемость рассады составила 100%.

Для индукции цветения растений сортов стевии осуществляли искусственное сокращение фотопериода (СФ) до 12 часов с применением мобильного светоизоляционного бокса [8] в соответствии с оригинальной методикой [9]. К сокращению продолжительности светового дня приступали через 40 дней после высадки рассады в поле, равномерно уменьшая как утренние, так и вечерние часы естественного освещения.

Влияние экспозиции СФ на сроки наступления цветения и формирование семенной продуктивности изучали в 3-х факторном полевом опыте (2х4х4) при 4-х кратной повторности. Фактор А - уровень плоидности: 0- диплоидный (2n) 1 - тетраплоидный (4n). Фактор В - генотип сорта: 0 - Рамонская сластена, (2n=22), 1 - Ставропольская сластена (2n=22), 2 - Услада(4n=44), 3 - София (4n=44). Фактор С - экспозиция СФ: включает 4 градации: 3, 5, 7, 10 дней. Учеты проводили на 16 растениях каждого сорта: по 4 растения, взятых в каждой повторности.

Отмечали дату начала цветения, и продолжительность периода от начала СФ до начала цветения; дату уборки растений на семена. Учитывали качество парциальных соцветий и развившихся семян на растении.

В варианте с пятидневной продолжительностью СФ у 16 растений каждого сорта определяли продолжительность цветения парциальных соцветий и 25 цветков, выделенных на разных соцветиях.

Экспериментальные данные обрабатывали методом дисперсионного анализа [10].

Результаты

Тропическое растение стевия или двулистник сладкий на родине произрастает как многолетнее травянистое растение с ежегодно отмирающей наземной частью, продолжительность жизни которого достигает 8-11 лет. Сочетая половое и вегетативное размножение, она образует многочисленные куртины. В соответвии с общепринятой системой вид Stevia rebaudiana (Bertoni) Hemsly относится к отделу Magnoliophyta, классу Magnoliopsida, подклассу Asteridae, порядку Asterales, семейству Asteracae, роду Stevia Cav. [11, 12].

При наступлении отрицательных температур растения стевии погибают, поэтому в странах умеренного климата ее возделывают по однолетнему циклу с высадкой в поле рассады, выращенной в теплице. Наибольшее распространение получил способ получения рассады в теплице укоренением зеленых апикальных черенков, которые заготавливают с маточных растений [13].

Допущенные к использованию отечественные сорта стевии являются клонами, поэтому их сортовая идентичность поддерживается только при вегетативном размножении. Вместе с тем, прогресс селекционной работы при интродукции стевии определяется переходом к семенному воспроизводству. Семенное размножение обеспечивает перекомбинацию генов, которые в сочетании с усилением при смене экониши спонтанного мутогенеза и рекомбинегеза детерминируют формирование генотипичной изменчивости, следовательно, обеспечивает эффективность стабилизирующего отбора и выделение в процессе селекции адаптивных в новой эконише генотипов [14].

При введении в культуру новых видов растений, происходящих из географически отдельных регионов, могут возникать сложности с получением семян. Если индродуценты происходят из районов с коротким световым днем, то в умеренных широтах в условиях длинного дня в летний период у них задерживается переход к цветению. Фаза цветения наступает в соответствии с естественным сокращением продолжительности светового дня в осенний период, и завязавшиеся при отрицательной температуре семена погибают.

В процессе филогенеза в условиях тропиков с коротким (около 12 часов) фотопериодом Stevia rebaudiana Bertoni сформировалась как растение короткого дня [15]. При возделывании стевии в странах умеренных широт с длинным световым днем в весенне-летние месяцы продолжительностью фотопериода является регулятором морфогенеза в процессе онтогенеза. При продолжительности светового дня 16-17 часов конус нарастания образует вегетативные органы, что определят значительную длительность (60-90 дней) II этап органогенеза и обеспечивает формированием высокой продуктивность листостебельной массы. К генеративной фазе развития, когда происходит дифференциация главной оси зачаточного соцветия и образование сегментов оси цветения, что соответствует III этапу органогенеза, растения стевии переходят при сокращении продолжительности светового дня до 15 часов [16].

В условиях Центрального Предкавказья переход к III этапу органогенеза в соответствии с сокращением светового дня отмечается в начале августа, а цветение (IХ этап органогенеза) - в конце второй - начале третий декады сентября. Формирование и созревание семян приходится на конец сентября - начало октября, когда заморозки вызывают их гибель. В годы проведения исследований сложившиеся в осенний период погодные условия не позволили получить семян стевии в условиях естественного фотопериода (табл. 1).

Таблица 1 - Влияние экспозиции сокращенного (12 часов) фотопериода (СФ) на индукцию цветения и семенную продуктивность ди- и тетраплоидных сортов стевии

Искусственное кратковременное (3-10 дней) сокращение продолжительности светового дня (12 часов) в конце июля при естественном фотопериоде 15 ч 10 мин-14ч 50мин; когда у растений стевии завершается II этап органогенеза, индуцировало ускорение перехода к генеративной фазе (III этапу органогенеза). В дальнейшем процессы формирования генеративных органов на IV-VIII этапах органогенеза осуществлялись в более сжатые сроки с высокой синхронностью, что нашло отражение в формировании архитектоники растения. К IX этапу органогенеза сформировалась шаровидная форма куста с равномерным распределением по всей высоте растения одновременно цветущих соцветий, количество которых было значительно больше, чем при естественном фотопериоде (рис. 1).

Рисунок 1 - Цветущее растение стевии сорта Ставропольская сластена: А - при 5-ти дневной экспозиции СФ, Б- при естественном фотопериоде

Искусственное сокращение фотопериода оказало сходное влияние на индукцию цветения, как у диплоидных, так и у тетраплоидных сортов стевии. Следовательно, 12-часовой фотопериод, как механизм, регулирующий в онтогенезе процесс морфогенеза, сложился в филогенезе и является универсальным для вида Stevia rebaudiana Bertoni. Это заключение согласуется с результатами, полученными и другими исследователями [17, 18].

Несмотря на то, что различия по экспозиции СФ были не велики (3, 5, 7, 10 дней) они оказались заметное влияние на сроки наступления фазы цветения. Более раннее вступление в фазу цветений (IX этап органогенеза) наблюдалось при 10-ти дневной экспозиции СФ (19-22 августа). В близкие сроки на 1-3 дня позже зацветали растения сортов стевии при 5 и 7-ми дневной экспозиции СФ. При 3-х дневной экспозиции СФ цветение отмечалось 5-8 сентября, но при этом растения характеризовались наибольшим количеством соцветий по сравнению с более длительной экспозицией СФ. У всех сортов стевии четко прослеживается тенденция уменьшения количества соцветий на растении с увеличением продолжительности СФ. Таким образом, даже небольшие различия в экспозиции воздействия СФ на растения, как диплоидных, так и тетраплоидных сортов стевии, в конце II этапа органогенеза детерминировали различия в продолжительности последующих этапов органогенеза и интенсивности протекающих морфогенетических процессов.

Отмеченные различия по срокам наступления цветения при разных экспозициях СФ сохранились, хотя и значительно сократились, к XI-XII этапам органогенеза, завершающим созревание семян, когда осуществлялась уборка растений на семена. В результате дисперсионного анализа было доказано существенное преимущество диплоидных сортов (574,4 шт.) по сравнению с тетраплоидными (549,5 шт.) по количеству семян с растения, НСР05А=5,6 шт. Наибольшей семенной продуктивностью выделился диплоидный сорт стевии СтГАУ Ставропольская сластена. В среднем по фактору В у него сформировались 579,0 шт. семян на растение, что было существенно выше, чем у диплоидного сорта Рамонская сластена (569,8 шт.) и тетраплоидных сортов Услада (558,0 шт.) и София (541,0 шт.), НСР05В=7,9 шт. У всех сортов стевии наибольшая семенная продуктивность отмечалась при 5-ти дневной экспозиции СФ. в среднем по фактору С она составила 764,8 шт., что на существенную величину было больше, чем при других экспозициях, (НСР05С=7,9 шт.). При 7-ми и 10-ти дневной экспозиции величина показателя была равна соответственно 645,2 и 607,0 шт. Наименьшее количество семян сформировалось при 3-х дневной экспозиции СФ (230,8 шт.), так как при более поздних по сравнению с другими вариантами сроках цветения СФ X-XII этапы органогенеза протекали в более поздние сроки, при более низком температурном режиме, что не позволило реализовать заложенный на V-VIII этапах органогенеза потенциал семенной продуктивности.