Цель исследования – выявить особенности адаптации растений видов рода Vitis (Tournef) L. к стрессорам, проявляющимся в зимний период в условиях Анапо-Таманской зоны и связанным с изменением климата. Изучена устойчивость сортов винограда: Кристалл – евро-амуро-американского происхождения, Достойный и Красностоп АЗОС – евро-американского, Восторг – амуро-американского, Зариф восточно-европейского, Алиготе – западно-европейского происхождения – к изменению климата в зимний период 2021–2022 гг. в условиях Анапо-Таманской зоны. В побегах изучаемых сортов винограда определяли общую оводненность, содержание свободной, связанной воды весовым методом, белок определяли спектральным методом на спектрофотометре LEKISS 1207, абсцизовую кислоту, сахарозу, а также аминокислоту пролин – методом капиллярного электрофореза, содержание крахмала в побегах – гистохимически с использованием микроскопа Olympus. За анализируемый период минимальные температуры в зимний период повысились на 6–10 °С, перепад температур в декабре снизился на 10 °С, в январе – на 12, в феврале – на 3 °С. Установлено, что после промораживания в побегах винограда увеличивается содержание связанной формы воды, активируется распад белка у всех сортов винограда, находящихся в изучении. Сорта Кристалл, Достойный, Восторг, Зариф характеризуются большим содержанием связанной формы воды; сорта Кристалл, Красностоп АЗОС, Алиготе – пролина; сорта Кристалл, Восторг, Алиготе и Зариф – сахарозы, что позволяет предположить различные механизмы водоудерживающей способности. Методом искусственного промораживания установлено, что сорта Достойный, Кристалл, Красностоп АЗОС являются высокоморозостойкими, сорт Восторг – морозостойким, сорта Алиготе и Зариф Восторг – среднеморозостойкими. Низкие температуры декабря и февраля 2022 г. (–3, –5 °С) не оказали существенного влияния на перезимовку изучаемых сортов винограда в Анапо-Таманской зоне.
виноград, сорта, климат, зимний период, зимостойкость
Введение. Наблюдающееся за последние годы потепление климата на планете привело к изменению гидротермических условий в регионах, что способствовало активации приспособительных механизмов растений, в том числе винограда, в онтогенезе и годичном цикле. Ранее с помощью комплекса физиолого-биохимических параметров выявлены сорта винограда различного эколого-географического происхождения, максимально адаптированные к местным климатическим условиям возделывания, что позволяет наиболее полно использовать их генетический потенциал [1, 2].
На юге России растения винограда подвергаются стрессам в зимний период по второму и третьему компонентам зимостойкости, когда растения находятся в состоянии зимнего покоя и вынужденного покоя [3]. Поддержание обменных процессов на постоянном уровне, а также способность быстрого их восстановления при воздействии стрессового фактора помогает растению адаптироваться к изменяющимся климатическим условиям. Ответные реакции растений винограда, позволяющие им приспособиться к новым стрессорам условий произрастания, затрагивают гомеостаз, экспрессию генов, метаболизм, физиологические функции. Сочетание такого рода реакций формирует акклиматизацию, в процессе которой растение вырабатывает устойчивость к действию стресс-фактора. Акклиматизация идет в течение жизни организма и не наследуется, однако генотип определяет нормы реакции растений [3, 4].
Растения приспосабливаются к неблагоприятным внешним условиям среды за счет перехода основных реакций обмена веществ на менее интенсивный уровень. В результате этого происходит восстановление равновесия между интенсивностью физиолого-биохимических процессов, снижается чувствительность растения к условиям среды, отклоняющимся от нормы, и, как следствие, у него появляется устойчивость к повреждающему фактору [5, 6]. Результат изучения физиолого-биохимических характеристик дает достоверную оценку генотипов растений винограда на устойчивость к неблагоприятным погодно-климатическим условиям зимнего периода и их адаптивность, что может быть использовано в качестве косвенных методов диагностики сортов винограда на морозостойкость [7].
Цель исследования – выявить физиолого-биохимические механизмы адаптации растений видов рода Vitis (Tournef) L. к стрессорам зимнего периода Анапо-Таманской зоны.
Объекты и методы. Исследование проводилось на базе ампелоколлекции АЗОСВиВ, ЦКП приборно-аналитический, лаборатории физиологии и биохимии растений ФГБНУ СКФНЦСВВ. Объекты исследования – межвидовые гибриды винограда различного эколого-географического происхождения: евро-амуро-американского (Кристалл), амуро-американского (Восторг), евро-американского (Красностоп АЗОС, Достойный), восточно-европейского (Зариф), западно-европейского (Алиготе).
Для оценки адаптационной устойчивости растений винограда к абиотическим стрессам зимнего периода определяли такие физиолого-биохимические показатели, как: общая оводненность, содержание свободной и связанной воды – с помощью весового метода, белков – спектральным методом, пролина и сахарозы – на приборе «Капель 105 Р». При изготовлении анатомических препаратов использовали методы общепринятой ботанической микротехники [3, 8]. Устойчивость растений к стресс-факторам изучалась в естественных условиях и при моделировании стресса (принудительное обезвоживание; температура – 20 °С). Экспериментальные данные обрабатывали с помощью общепринятых методов вариационной статистики [9].
Для проведения исследования использовали микроскоп Olympus, спектрофотометры UNICO 2800, LEKISS1207, прибор для капиллярного электрофореза «Капель 105 Р», весы JW-1-3000 Acom и др.
Результаты и их обсуждение. В результате изучения гидротермических условий г.-к. Анапа за период 2021–2022 гг. установлено, что температура воздуха в декабре была выше средней многолетней. Максимальная температура воздуха колебалась от +12 до +14 °С, а минимальная – от –9 до –1 °С.
В январе 2022 г. минимальная температура воздуха варьировала от –13 до –3 °С, а максимальная – от +14 °С до +15 °С. В феврале 2022 г. максимальная температура воздуха достигала +14…+15 °С, а минимальная колебалась от –11 до –5 °С.
В целом следует отметить, что потепление было вызвано преимущественно повышением минимальной температуры воздуха: в декабре – на 8 °С, в январе – на 10 и в феврале – на 6 °С, а перепад температур в декабре за анализируемый период снизился на 10 °С, в январе – на 12 и в феврале – на 3 °С. Это свидетельствует о том, что климат на юге России становится более теплым и мягким.
В гидротермических условиях декабря 2021 г. большая оводненность виноградной лозы отмечалась у сортов винограда Достойный, Алиготе и Зариф (13,5–19 %).
У сортов Алиготе и Зариф оводненность лозы в большей мере коррелировала с минимальной температурой воздуха (Ккоррел.= 0,67–0,72) и количеством выпавших осадков (Ккоррел. = 0,93–0,95), а у сортов евро-американского происхождения – с максимальной температурой воздуха (Ккоррел. = 0,56–0,63) и количеством выпавших осадков (Ккоррел. = –1) (рис. 1) [4].
Рис. 1. Зависимость оводненности лозы винограда
от гидротермических условий зимнего периода 2021–2022 гг.
При промораживании побегов всех изучаемых сортов винограда увеличивалось содержание связанной формы воды, активировался распад белка, особенно у сортов Достойный и Красностоп АЗОС. Сорта винограда Кристалл, Достойный, Восторг, Зариф характеризовались большим содержанием связанной формы воды; сорта Кристалл, Красностоп АЗОС, Алиготе – пролина; сорта Кристалл, Восторг, Алиготе и Зариф – сахарозы, что позволяет предположить различные механизмы водоудерживающей способности (рис. 2–4).
Рис. 2. Биохимическая характеристика водоудерживающей способности лозы винограда
в декабре 2021 г.
Рис. 3. Влияние промораживания побегов на содержание белка в лозе сортов винограда
в декабре 2021 г.
Рис. 4. Влияние промораживания на содержание связанной воды
и пролина в лозе сортов винограда в декабре 2021 г.
Таким образом, на основании вышеизложенных результатов исследования можно сделать предварительный вывод, что в связи с повышенными температурами воздуха в зимний период 2021–2022 гг. растения винограда не вошли в состояние глубокого покоя и не отличались устойчивостью к экстремально низким температурам в этот период (второй компонент зимостойкости).
В феврале 2022 г. в сравнении с декабрем 2021 г. у всех изучаемых сортов винограда увеличилось общее количество воды в лозе, одновременно отмечался рост содержания свободной воды, что свидетельствует о переходе растений винограда в состояние вынужденного покоя и активации обменных процессов (рис. 5).
Рис. 5. Динамика оводненности и содержания свободной формы воды
в лозе сортов винограда в декабре 2021 – феврале 2022 г.
Выявлено, что после воздействия пониженных температур у различных сортов винограда содержание крахмала в зоне мелкоклеточной сердцевины виноградной лозы изменилось по-разному. Гистохимическими исследованиями установлено следующее: после проморозки содержание крахмала в зоне мелкоклеточной сердцевины лозы винограда у сортов Достойный, Красностоп АЗОС, Кристалл снизилось с 5,0 до 4,8 баллов, у сорта Восторг – с 4,6 до 4,5 балла. У сортов Алиготе, Зариф содержание крахмала в зоне мелкоклеточной сердцевины лозы после проморозки не изменилось и составило 4,4 и 4,3 балла соответственно.
Результаты исследования методом искусственного промораживания позволили сделать вывод о том, что сорта винограда Достойный, Кристалл, Красностоп АЗОС относятся к высокоморозостойким, сорт Восторг – к морозостойким, сорта Алиготе и Зариф – среднеморозостойким.
Определение отношения содержания сахарозы к содержанию крахмала позволило установить большую скорость гидролиза последнего у сортов винограда Кристалл, Восторг, Зариф по сравнению с сортами Достойный, Красностоп АЗОС, Алиготе, что может характеризовать менее активный обмен веществ в феврале у последних трех сортов в состоянии вынужденного покоя.
Таким образом, благоприятные погодно-климатические условия февраля 2019 г. позволили положительно охарактеризовать сорта винограда по третьему компоненту зимостойкости (в состоянии вынужденного покоя).
Стрессовые воздействия различной природы вызывают накопление в тканях растений абсцизовой кислоты (АБК), которая, вероятно, является их общим медиатором на стрессоры и оказывает влияние на изменения, происходящие в клетках генной экспрессии [10]. При воздействии низкой температуры у всех изучаемых сортов винограда снижается содержание фенолкарбоновых кислот, обладающих антиокислительными свойствами, и увеличивается содержание абсцизовой кислоты, обладающей антистрессовой активностью (рис. 6).
Рис. 6. Влияние промораживания на содержание фенолкарбоновых
и абсцизовой кислот в лозе сортов винограда в условиях декабря 2021 г.
На основании анатомо-морфологического изучения почек зимующих глазков установлено, что растения винограда в этот период находятся в состоянии зимнего покоя. У всех сортов винограда в зимующих почках заложены эмбриональные соцветия, обуславливающие урожай следующего года.
Метод искусственного промораживания лозы винограда показал, что у всех изучаемых сортов винограда повреждений тканей однолетней лозы и почек не обнаружено.
Заключение. Низкие температуры (–3, –5 °С) декабря 2021 г. и февраля 2022 г. не оказали существенного влияния на перезимовку изучаемых сортов винограда, учитывая физиолого-биохимические критерии формирования устойчивости на примере изучаемых сортов винограда (Кристалл, Достойный, Красностоп АЗОС, Восторг, Алиготе, Зариф) по второму и третьему компонентам зимостойкости за период 2021–2022 гг. Анапо-Таманской зоны.
1. Lowerature stress tolerance of grapevine varieties of different ecological and geographical origin / N.I. Nenko [et al.] // Proceedings of the Latvian Academy of Sciences, Section B: Natural, Exact, and Applied Sciences. 2019; 73 (1): P. 56–65. DOI:https://doi.org/10.2478/prolas-2018-0046.
2. Засухоустойчивость сортов винограда в условиях Краснодарского края / Г.К. Киселева [и др.] // Вестник КрасГАУ. 2022. № 6. С. 75–83. DOI:https://doi.org/10.36718/1819-4036-2022-6-75-83.
3. Физиолого-биохимические методы изучения исходного и селекционного материала // Современные методологические аспекты организации селекционного процесса в садоводстве и виноградарстве / Н.И. Ненько [и др.]. Краснодар, 2012. С. 195–205.
4. Кошкин Е.И. Физиология устойчивости сельскохозяйственных культур. М., 2010. 638 с.
5. Hossain M,. Burritt D.J., Fujita M. Proline protects plants against abiotic oxidative stress: biochemical and molecular mechanisms // Oxidative Damage to Plants. 2014; 5: 477–522.
6. Differential effects of cold acclimation and abscisic acid on free amino acid composition in wheat / Z. Kovács [et al.] // Plant Science. 2011; 180: 61–68.
7. Arora R., Rowland L.J. Physiological Research on Winter-hardiness: Deacclimation Resistance, Reacclimation Ability, Photoprotection Strategies, and a Cold Acclimation Protocol Design. HortScience. 2011; 46(8): 1071–1078.
8. Современные инструментально-аналитические методы исследования плодовых культур и винограда / под общ. ред. Н.И. Ненько. Краснодар, 2015. 115 c.
9. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований). 5-е изд., перераб. и доп. М.: Альянс, 2014. 351 с.
10. Skriver K., Mundy J. Gene expression in response to abscisic acid and osmotic stress. Plant Cell. 1990; 2: 503–512.
