The purpose of research is to evaluate grape varieties of various ecological and geographical groups in terms of adaptation to drought according to physiological and biochemical parameters, to identify varieties with high adaptive resistance for cultivation in the conditions of the Anapo-Taman zone of the Krasnodar Region and use in breeding. The studies were carried out in 2018–2021 at the sites of the ampelographic collection of the Anapa Zonal Experimental Station of Viticulture and Winemaking (AZOSViV) – a branch of the Federal State Budgetary Scientific Institution SKFNTSSVV (Anapa). The objects of research are grape varieties (interspecific hybrids): European-American origin - Dostoyny, Krasnostop AZOS, Vostorg; Western European – Aligote; Eastern European – Zarif. The control was the Crystal variety of Euro-Amur-American origin. The indicators of the water regime were determined by the weight method, the anatomical and morphological structure of the leaf was determined by the method of light microscopy. The content of photosynthetic pigments was found by spectrophotometric method in 85% acetone extract. During the summer, the varieties Kristall, Krasnostop AZOS, Vostorg, Zarif had the highest values of the ratio of bound water to free water (3.8–4.1), in contrast to other studied varieties (2.0–2.2), due to an increase in bound drought tolerance water forms. Due to the increase in the proportion of carotenoids that perform a photoprotective function in the varieties Kristall, Krasnostop AZOS, Vostorg, Zarif, the lowest values of the chlorophylls/carotenoids ratio (2.1–2.9) were found, in contrast to the varieties Dostoyny, Aligote (3.4). Evidence of the high adaptability of leaf tissues to drought in the varieties Kristall, Krasnostop AZOS, Vostorg, Zarif is the revealed signs of xeromorphic leaf structure. Varieties Crystal, Krasnostop AZOS, Vostorg, Zarif in terms of physiological, biochemical and anatomical and morphological parameters proved to be more drought-resistant in comparison with varieties Dostoiny, Aligote and are recommended for cultivation in the conditions of the Anapo-Taman zone of the Krasnodar Region and use in breeding.
grapes (Vitis vinifera L.), variety, adaptability, drought resistance, physiological and biochemical parameters, xeromorphic features of the leaf
Введение. Засуха в летний вегетационный период подавляет фотосинтез, дыхание и другие физиологические процессы, участвующие в продукционном процессе винограда, что в конечном счете снижает его урожайность. Для формирования регионального сортимента винограда важна не только потенциальная продуктивность сорта, но и способность адаптироваться к различным стрессовым ситуациям, в том числе и к засухе [1].
В результате глобальных климатических изменений в Анапо-Таманской зоне Краснодарского края за последние 20 лет в фенофазу роста и созревания ягод количество атмосферных осадков уменьшилось на 15 % сравнении с периодом 1977–1996 гг. [2]. Поэтому вопросы засухоустойчивости винограда, выделения более устойчивых генотипов являются актуальными.
Проблема засухоустойчивости винограда находится в фокусе пристального внимания исследователей всего мира. Установлено, что недостаток влаги вызывает значительные и постепенно усиливающиеся изменения большинства физиологических процессов виноградной лозы. Жара и засуха влияют на интенсивность роста, показатели водного обмена, активность фотосинтетического аппарата и антиоксидантной системы. Способность удерживать и экономно использовать воду в засушливых условиях является защитно-приспособительной реакцией устойчивых сортов винограда. Показана роль отдельных метаболитов в регуляции защитных реакций на недостаток влаги [3–8].
Физиолого-биохимические и анатомо-морфологические параметры листа являются надежными критериями устойчивости к экологическим условиям среды обитания и широко используются для выявления засухоустойчивых сортов различных растений [9–12]. Изучение адаптивных изменений листа винограда, лежащих в основе приспособительных реакций к недостатоку осадков, необходимо для разработки методов диагностики устойчивости, выявления более засухоустойчивых сортов для оптимизации селекционной работы в виноградарстве.
Цель исследований – провести оценку сортов винограда различных эколого-географических групп по адаптации к засухе по физиолого-биохимическим и анатомо-морфологическим параметрам, выделить сорта с высокой адаптационной устойчивостью для возделывания в условиях Анапо-Таманской зоны Краснодарского края и использования в селекции.
Объекты и методы. Исследования проводили в 2018–2021 гг. на участках ампелографической коллекции Анапской зональной опытной станции виноградарства и виноделия (АЗОСВиВ) – филиала ФГБНУ СКФНЦСВВ (г. Анапа), лаборатории физиологии и биохимии растений ФГБНУ СКФНЦСВВ, Центра коллективного пользования технологичным оборудованием по направлениям: геномные и постгеномные технологии; физиолого-биохимические и микробиологические исследования; почвенные, агрохимические и экотоксикологические исследования; пищевая безопасность.
Объектами исследований служили сорта винограда (межвидовые гибриды) различного эколого-географического происхождения: европейско-американского происхождения – Достойный, Красностоп АЗОС, Восторг; западно-европейского – Алиготе; восточно-европейского – Зариф. Контроль – высокозасухоустойчивый сорт Кристалл – межвидовой гибрид евро-амуро-американского происхождения. Растения 1995 г. посадки, подвой Кобер 5ББ. Формировка – двусторонний высокоштамбовый спиральный кордон АЗОС. Возделывание растений на черном паре при схеме посадки 3×2,5 м.
Для проведения исследований листья отбирали у 8–12 узлов (по 5 листьев каждого сорта в трех повторностях). Параметры водного режима определяли весовым методом по Кушниренко [13]. Содержание фотосинтетических пигментов листа находили спектрофотометрическим методом в 85 % ацетоновой вытяжке [14]. Анатомо-морфологическое строение листовой пластинки изучали на временных препаратах поперечных срезов при помощи микроскопа Olympus ВХ41 («Olympus corporation», Япония) согласно методике [15]. Статистическую обработку полученных данных проводили по методике [16]. Расчеты выполняли с использованием программного пакета Microsoft Excel 2010.
Метеорологические условия различались в годы исследований. Летом 2018 г. среднемесячные дневные температуры воздуха составляли 22,2 °С, максимальные 36 °С. Атмосферных осадков за период активной вегетации (май-сентябрь) выпало 88 мм (56 % от среднемноголетних показателей). Летом 2019 г. среднемесячные дневные температуры воздуха составляли 21 °С, максимальные 39 °С. Количество атмосферных осадков за период активной вегетации составило 146 мм (на 10 мм меньше среднемноголетних значений). Летом 2020 г. среднемесячные дневные температуры воздуха составляли 24,4 °С, максимальные 36 °С. Атмосферных осадков за период активной вегетации выпало 65 мм (42 % от среднемноголетних показателей). Летом 2021 г. среднемесячные дневные температуры воздуха составляли от 2 до 26,1 °С, максимальные 35 °С. Количество атмосферных осадков за период активной вегетации составило 553 мм (среднемноголетние значения 154 мм).
Результаты и их обсуждение. Лист винограда обладает широкими адаптивными возможностями к условиям произрастания, приобретенными в процессе эволюции. Хорошо развитое жилкование, широкий диаметр проводящих сосудов, ситовидных трубок способствуют высокой пропускной способности и быстрому оттоку ассимилянтов из листа в побеги. Хорошо развитая кутикула, уменьшая транспирацию, помогает поддерживать водный гомеостаз листа. Волоски на нижнем эпидермисе защищают его от перегрева и излишней транспирации [7] (рис. 1).
Рис. 1. Микрофото поперечного среза листа винограда сорта Зариф.
Волосок на нижнем эпидермисе (увеличение 10 × 20)
От функционального состояния листового аппарата, содержания воды, фотосинтетической способности листовых тканей зависит образование углеводов, сахаров, аминокислот и других метаболитов, которые необходимы для роста и развития виноградного куста, формирования урожая и накопления сахара в ягодах.
Оводненность листовых тканей, содержание различных форм воды являются важными физиолого-биохимическими параметрами в течение летнего периода. По данным российских и зарубежных исследователей, оводненность листьев винограда в начале вегетации составляет 80–82 %, в конце – 70–75 % и зависит от возраста, фенологической фазы, агротехники и факторов окружающей среды [1, 5, 7].
В проведенных нами исследованиях в различные по водообеспеченности годы усредненные показатели оводненности листьев сопоставимы и составляли в июне 78,1–80,6 %, в июле 77,2–79,3 % (рис. 2).
Рис. 2. Оводненность листьев винограда (средние значения) в летний период 2018–2021 гг. НСР05: июнь – 3,63; июль – 0,86; август – 0,48
В августе проходило дальнейшее снижение оводненности листовых тканей до 76,5–77,9 %. Итак, в течение лета содержание влаги в листьях снизилось на 1,2–3,2 % в зависимости от сорта. В наименьшей степени оводненность снизилась у сорта Восторг (на 1,2 %), в наибольшей – у сорта Кристалл (3,2 %).
Важным параметром устойчивости растений к засухе служит соотношение связанной и свободной фракций воды (Ксвяз./своб.), различающихся по своей химической активности. Свободная фракция воды участвует преимущественно в обмене веществ, легко перемещаясь из клетки в клетку. Связанная фракция воды, входящая в состав гидратационных зон коллоидов, обеспечивает водоудерживающую способность клетки и играет большую роль в устойчивости растений к засухе. Высокий коэффициент количественного соотношения связанной и свободной воды свидетельствует о высокой засухоустойчивости сорта [7, 9, 10].
В наших исследованиях к концу лета у всех изучаемых сортов увеличилась доля связанной формы воды, т.е. увеличился показатель Ксвяз./своб. В начале лета в июне показатели отношения связанной воды к свободной составляли 1,5–2,6; в августе они увеличились до 2,0–4,1 (рис. 3).
Рис. 3. Соотношение связанной и свободной фракций воды в листьях винограда
(средние значения) в летний период 2018–2021 гг. НСР05: июнь – 2,1; июль – 3,1; август – 1,2
Установлено, что во все месяцы летнего вегетационного периода у сортов Кристалл, Красностоп АЗОС, Восторг, Зариф, выделившихся как высокоустойчивые, отмечены наиболее высокие значения Ксвяз./своб. В конце лета они составляли 3,8–4,1 в отличие от сортов Достойный, Алиготе, у которых Ксвяз./своб. составлял 2,0–2,2.
Содержание фотосинтетических пигментов в листьях является одним из важных показателей физиологического состояния растений в летний период. Установлено, что максимальное накопление хлорофилла в листьях винограда наблюдается в фазы цветения и роста ягод, в период созревания ягод и последующие фенофазы их содержание снижается. Содержание других пигментов – каротиноидов имеет обратную зависимость, их накопление происходит в фазу созревания ягод [5]. Усиленное накопление каротиноидов в неблагоприятных условиях среды (засуха, повышенная инсоляция) важно для активации защитных ответных реакций растительного организма [9, 12].
В наших исследованиях в период роста ягод (июнь–июль) содержание зеленых пигментов в листьях составляло 2,99–4,22 мг/г сырого веса, каротиноидов – 0,72–0,98 мг/г сырого веса (табл. 1).
Таблица 1
Состав пигментного комплекса листьев винограда
(средние значения за 2018–2021 гг.), мг/г сырого веса
|
Сорт |
Сумма хлорофиллов (a+b) |
Каротиноиды |
||||
|
июнь |
июль |
август |
июнь |
июль |
август |
|
|
Кристалл |
4,22±0,16 |
3,91±0,76 |
3,01±1,23 |
0,90±0,11 |
0,98±0,06 |
1,02±0,08 |
|
Достойный |
3,81±0,62 |
3,52±1,19 |
3,18±1,06 |
0,89±0,08 |
0,90±0,18 |
0,92±0,10 |
|
Красностоп АЗОС |
3,20±0,37 |
3,01±0,42 |
2,56±0,25 |
0,73±0,23 |
0,93±0,47 |
1,21±0,14 |
|
Восторг |
3,71±1,27 |
3,52±0,50 |
2,89±0,28 |
0,89±0,21 |
0,91±1,01 |
1,12±0,09 |
|
Алиготе |
3,98±0,23 |
3,50±0,51 |
3,11±0,71 |
0,72±0,12 |
0,77±0,09 |
0,91±0,12 |
|
Зариф |
3,12±0,48 |
2,99±0,38 |
2,52±0,54 |
0,75±0,32 |
0,78±0,24 |
0,89±0,19 |
|
НСР05 |
0,44 |
0,34 |
0,27 |
0,51 |
0,16 |
0,12 |
В период созревания ягод (август) содержание суммы хлорофиллов в листьях составляло 2,52–3,18 мг/г сырого веса, каротиноидов – 0,89–1,21 мг/г сырого веса.
Наиболее информативным показателем стрессоустойчивости листа является отношение суммы хлорофиллов к каротиноидам (Хл/Кар). Отношение Хл/Кар уменьшалось при старении листа, избыточной инсоляции у ряда растений, в том числе и винограда [5, 9, 12].
В наших исследованиях отношение Хл/Кар у всех сортов уменьшалось в августе. К концу лета у сортов Кристалл, Красностоп АЗОС, Восторг, Зариф отношение Хл/Кар составляло 2,1–2,9 (рис. 4).
Рис. 4. Соотношение хлорофиллы/каротиноиды в листьях винограда
(средние значения) в летний период 2018–2021 гг. НСР05: июнь – 0,2; июль – 0,1; август – 0,2
Увеличение содержания каротиноидов в пигментном составе листа у этих сортов связано с их фотозащитной функцией от избыточной освещенности. У сортов Достойный, Алиготе оно составляло 3,4, что свидетельствует об их неустойчивости.
Изменения физиологических процессов –водный дефицит, усиление фотосинтетических процессов – вызывают изменения в анатомо-морфологической структуре листа. Лист винограда дорзовентральный, мезофилл дифференцирован на столбчатую и губчатую ткани. Столбчатая ткань состоит из клеток вытянутой формы, более приспособлена к фотосинтетическим процессам, в ней больше зеленых пластид – хлоропластов. Основная функция клеток губчатой ткани – газообмен и транспирация. Эпидермис и кутикула выполняют барьерную роль: защищают внутренние ткани от повреждения и высыхания, уменьшая транспирацию. Устьица расположены на нижней стороне листа.
Параметры листовой пластинки, размеры и количество устьиц изучаемых сортов винограда представлены в таблице 2, на рисунке 5 – микрофото поперечного среза листа.
Таблица 2
Анатомо-морфологические параметры листа винограда
(средние значения за 2018–2021 гг.)
|
|
Сорт |
Листовая пластинка |
Устьица |
||||||
|
|
Общая толщина, мкм |
Кутикула с верхним эпидермисом, мкм |
Индекс палисадности |
Число, шт. на 1 мм2 |
Ширина, мкм |
Длина, мкм |
|||
|
|
Кристалл |
199,2±11,2 |
10,2±0,5 |
1,3±0,1 |
245,2±12,5 |
31,2±2,1 |
53,2±4,1 |
||
|
|
Достойный |
163,1±10,5 |
9,1±1,2 |
1,1±0,2 |
189,2±14,3 |
33,1±3,4 |
55,2±2,3 |
||
|
|
Красностоп АЗОС |
201,4±9,2 |
10,0±0,8 |
1,2±0,4 |
250,3±17,2 |
31,4±1,5 |
53,0±5,2 |
||
|
|
Восторг |
198,5±4,9 |
10,1±0,5 |
1,2±0,3 |
261,5±9,5 |
31,7±2,4 |
52,1±1,7 |
||
|
|
Алиготе |
169,3±7,3 |
9,1±0,4 |
1,1±0,1 |
199,5±4,5 |
33,1±1,6 |
55,0±1,8 |
||
|
|
Зариф |
189,7±3,7 |
10,1±0,7 |
1,3±0,2 |
239,4±3,4 |
32,0±1,9 |
52,8±2,4 |
||
|
|
НСР05 |
16,0 |
0,5 |
0,1 |
28,3 |
0,8 |
1,2 |
||
|
|
|
|
|||||||
|
А |
Б |
|
|||||||
Рис. 5. Микрофото поперечного среза листа винограда: А – засухоустойчивый сорт Алиготе;
Б – высокозасухоустойчивый сорт Восторг
У сортов Кристалл, Красностоп АЗОС, Восторг, Зариф, выделенных как высокозасухоустойчивые, выявлены признаки ксероморфной структуры листа, обуславливающие устойчивость к засухе. У них, в отличие от сортов Достойный, Алиготе, толще листовая пластинка, кутикула с верхним эпидермисом, выше индекс палисадности, больше устьиц и меньше их размеры.
По анатомо-морфологическим признакам листа сорта Кристалл, Красностоп АЗОС, Восторг, Зариф проявили себя более засухоустойчивыми в сравнении с сортами Достойный, Алиготе.
Заключение. В условиях Анапо-Таманской зоны Краснодарского края сделана оценка устойчивости к засухе сортов винограда (межвидовых гибридов) различного эколого-географического происхождения.
В течение летнего вегетационного периода у сортов Кристалл, Красностоп АЗОС, Восторг, Зариф у отмечены:
– самые высокие значения отношения связанной воды к свободной (3,8–4,1) в отличие от сортов Достойный, Алиготе (2,0–2,2) за счет повышения связанной формы воды;
– самые низкие значения отношения хлорофиллы/каротиноиды (2,1–2,9) в отличие от сортов Достойный, Алиготе (3,4) за счет увеличения доли каротиноидов, выполняющих фотозащитную функцию от избыточной освещенности;
– обнаружены признаки ксероморфной структуры листа, обуславливающие устойчивость к засухе: толще листовая пластинка, кутикула с верхним эпидермисом, выше индекс палисадности, больше устьиц и меньшие их размеры.
Сорта Кристалл, Красностоп АЗОС, Восторг, Зариф по физиолого-биохимическим и анатомо-морфологическим признакам листовой пластинки проявили себя более засухоустойчивыми в сравнении с сортами Достойный, Алиготе и рекомендуются для возделывания в Анапо-Таманской зоне Краснодарского края и использования в селекции.
1. Zasuhoustoychivost' sortov vinograda razlichnogo ekologo-geograficheskogo proishozhdeniya / N.I. Nen'ko [i dr.] // Sadovodstvo i vinogradarstvo. 2020. № 5. S. 37–41. DOI:https://doi.org/10.31676/0235-2591-2020-5-37-411.
2. Petrov V.S., Marmorshteyn A.A., Luk'yanova A.A. Adaptivnaya fenologicheskaya reakciya introducirovannyh sortov vinograda Occidentalis C. Negr. na izmeneniya pogodno-klimaticheskih usloviy Yuga Rossii // Plodovodstvo i vinogradarstvo Yuga Rossii. 2022. № 73(1). S. 62–76. http://journalkuban¬sad.ru/pdf/22/01/06.pdf.
3. Prinsi B., Negri A.S., Failla O., Scienza A., Espen L. Root proteomic and metabolic analyses reveal specific responses to drought stress in differently tolerant grapevine rootstocks // BMC Plant Biol. 2018. No. 18. P. 126–154. DOI:https://doi.org/10.1186/s12870-018-1343-0.
4. Copper A.W., Collins C., Bastian S., Johnson T. Vine performance benchmarking of indigenous Cypriot grape varieties Xynisteri and Maratheftiko // OENO One. 2020. No. 54 (4). P. 935–954. DOI:https://doi.org/10.20870/oeno-one.2020. 54.4.3863.
5. Filimon R.V., Rotaru L., Filimon R.M. Quantitative investigation of leaf photosynthetic pigments during annual biological cycle of Vitis vinifera L. table grape cultivars // South African Journal of Enology and Viticulture. 2016. No. 37 (1). P. 1–14. DOI:https://doi.org/10.21548/37-1-753
6. Flexas J., Bota J., Escalona J.M., Medrano H. Effects of drought on photosynthesis in grapevines under field conditions: an evaluation of stomatal and mesophyll limitations // Functional Plant Biology. 2002. No. 29(4). P. 461–471. DOI:https://doi.org/10.1071/pp01119.
7. Stoev K.D. Fiziologiya vinograda i osnovy ego vozdelyvaniya. M.: Kniga po trebovaniyu, 2013. 386 s.
8. Zufferey V., Spring J.L, Verdenal T., Die-nes A., Belcher S. The influence of water stress on plant hydraulics, gas exchange, berry composition and quality of Pinot Noir wines in Switzerland // Oeno One. 2017. No. 51 (1). P. 17–27. DOI:https://doi.org/10.20870/oeno-one.2017.51. 1.1314.
9. Ispol'zovanie fiziologo-biohimicheskih metodov dlya vyyavleniya mehanizmov adaptacii subtropicheskih, yuzhnyh plodovyh i dekorativnyh kul'tur v usloviyah subtropikov Rossii / A.V. Ryndin [i dr.] // Sel'skohozyaystvennaya biologiya. 2014. № 3. S. 40–48.
10. Malyarovskaya V.I., Belous O.G. Izuchenie fiziologicheskih pokazateley veygely (Weigela×wagneri L. H. Bailey), harakterizuyuschih ee ustoychivost' k stress-faktoram vlazhnyh subtropikov Rossii // Sadovodstvo i vinogradarstvo. 2016. № 5. S. 46–51. DOI:https://doi.org/10.18454/vstisp.2016.5.3449.
11. Wu Y., Hong W., Chen Y. Leaf physiological and anatomical characteristics of two indicator species in the limestone region of southern China under drought stress // Pak. J. Bot. 2018. No. 50. P. 1335–1342.
12. Luo Y.Y., Li R.X., Jiang Q.S., Bai R. Changes in the chlorophyll content of grape leaves could provide a physiological index for responses and adaptation to UV‐C radiation // Nordic Journal of Botany. 2019. No. 23 (14). P. 1–11. DOI:https://doi.org/10.1111/njb.02314.
13. Kushnirenko M.D. Metody izucheniya vodnogo obmena i zasuhoustoychivosti plodovyh rasteniy: metod. ukazaniya. Kishinev: Shtiinca, 1970. 80 s.
14. Gavrilenko V.F., Ladygina M. E., Handobina L.M. Bol'shoy praktikum po fiziologii rasteniy. M.: Vyssh. shk., 1975. 380 s.
15. Kiseleva G.K., Nen'ko N.I. Ocenka stepeni zasuhoustoychivosti yabloni i vinograda po kseromorfnym priznakam listovoy plastinki // Sovremennye instrumental'no-analiticheskie metody issledovaniya plodovyh kul'tur i vinograda / pod red. N.I. Nen'ko. Krasnodar: SKZNIISiV, 2015. S. 36–39.
16. Dospehov B.A. Metodika polevogo opyta (s osnovami statisticheskoy obrabotki rezul'tatov issledovaniy). 5-e izd., pererab. i dop. M.:Al'yans, 2014. 351 s.
