Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова
Москва, Россия
Россия
Россия
Архангельск, Россия
Цель исследования – изучение особенностей адаптации растений V. macrocarpon сортов зарубежной и российской селекции, полученных методом in vitro, к нестерильным условиям с использованием торфяного субстрата и с применением гидропонной установки. Исследования проводили на базе САФУ им. М.В. Ломоносова и Сургутского государственного университета с использованием общепринятых методик в 2021–2023 гг. Объекты исследования – растения V. macrocarpon сортов североамериканской (Ben Lear, Piligrim) и российской (Мерянка, Славянка) селекции, полученные методом микроклонального размножения. Адаптацию растений-регенерантов проводили в гидропонной установке вертикального типа ABS (производство – ООО «Активные биологические системы», Россия) в режиме периодического затопления. Через 7, 14, 20, 30, 50 и 70 сут после пересадки систематически проводили учет приживаемости и морфометрических показателей роста растений (число и длина побегов, число листьев, число и длина корней). Опыты закладывались в 3-кратной повторности по 100 растений-регенерантов в каждой. Максимальная приживаемость растений-регенерантов V. macrocarpon при адаптации с использованием гидропонной установки (100 %) отмечена на 50–70-е сут выращивания, на торфяном субстрате (75–80 %) – на 70-е сут. Максимальные значения морфометрических показателей растений V. macrocarpon на 70-е сут выращивания отмечены при использовании гидропонной установки (число побегов – в среднем 4,1–5,1 шт.; длина побегов –24,9–30,2 см; число листьев – 84,0–95,4 шт.; число корней – 20,4–25,6 шт.; длина корней – 21,3–26,1 см), тогда как при адаптации на торфяном субстрате длина побегов была меньше в среднем в 1,9–4,2 раза, число листьев – в 1,2–1,7 раза. Сорта российской селекции имели преимущества по числу побегов, числу и длине корней по сравнению с североамериканскими сортами.
клюква крупноплодная, микроклональное размножение, сорт, адаптация, ex vitro, субстрат, торф, гидропоника, приживаемость
Введение. Одним из наиболее распространенных, успешно культивируемых лесных ягодных видов является клюква крупноплодная (Vaccinium macrocarpon Ait.), в природных условиях встречающаяся только в северо-восточной части Северной Америки, в зоне хвойных лесов (преимущественно на сфагновых болотах лесной зоны, лесотундры и тундры). Это эндемичный вечнозеленый кустарничек с системой стелющихся (длиной до 1 м и более) и укороченных прямостоячих побегов. Листья овальные или продолговатые, более крупные, чем у клюквы болотной. Цветки белые или бледно-розовые, поникающие. Корни поверхностные, тонкие, с микоризой. Плоды и листья клюквы обладают высокой пищевой и лекарственной ценностью. Плоды содержат большое количество полезных биологически активных соединений. В медицине клюква может применяться при лечении большого ряда различных заболеваний как антисептическое, противовоспалительное, гипотензивное, противоцинготное, антисклеротическое, гемостатическое средство [1–6].
В природе V. macrocarpon лучше всего растет на открытых и слабо затененных местах, предпочитает очень влажные, кислые, торфянистые почвы. Однако V. macrocarpon является менее зимостойкой и более требовательной к теплообеспеченности вегетационного периода, чем распространенная в Европе и России клюква болотная (V. oxycoccos L.), но при этом более урожайна, менее подвержена угнетению сорными растениями и больше поддается механизированным способам уборки ягодного урожая. Эффективность культивирования клюквы в условиях выработанных торфяников и на других неиспользуемых землях подтверждается мировым опытом [1, 2, 7, 8].
Культивированием клюквы занимаются в США и Канаде со второй половины XIX в. На сегодняшний день плантации клюквы крупноплодной имеются и в ряде других стран: Чили, Нидерланды, Германия, Польша, Ирландия, Россия, Беларусь, страны Прибалтики. Выращивание высокопродуктивных сортов и гибридов клюквы способствует еще большему повышению урожайности плантаций. Если природно-климатические условия относительно теплых регионов России схожи с североамериканскими, то в северных регионах зарубежные сорта клюквы крупноплодной недостаточно устойчивы для выращивания [8, 9]. В результате многолетней селекционной работы на Центрально-европейской лесной опытной станции ВНИИЛМ были созданы первые отечественные зимостойкие сорта – Мерянка, Славянка, Волжанка.
Для более эффективного и ускоренного получения высококачественного оздоровленного и генетически однородного сортового посадочного материала ягодных растений в целях промышленного выращивания на плантациях целесообразно использовать метод микроклонального размножения [10]. При этом самым сложным этапом является адаптация растений к нестерильным условиям ex vitro. Одним из наиболее эффективных способов адаптации является выращивание с использованием системы гидропоники с применением искусственных субстратов различного происхождения. В числе основных преимуществ этого метода перед традиционными: круглогодичное получение растительного сырья независимо от климатических условий и сезона; возможность управления процессами роста и развития растений в течение всего вегетационного периода; возможность использования готовых долговечных гидропонных систем; отсутствие патогенной микрофлоры и вредителей; использование малых площадей для непрерывного культивирования; тщательный контроль качества готовой продукции и др. [11–13].
Цель исследования – изучение особенностей адаптации растений V. macrocarpon сортов зарубежной и российской селекции, полученных методом in vitro к нестерильным условиям с использованием торфяного субстрата и применением гидропонной установки.
Объекты и методы. В качестве объектов исследования рассматривали растения V. Macrocarpon сортов североамериканской (Ben Lear, Piligrim) и российской (Мерянка, Славянка) селекции, полученные методом микроклонального размножения [14]. Исследования по выращиванию растений в культуре in vitro и их адаптации к нестерильным условиям ex vitro проводили на базе САФУ им. М.В. Ломоносова и Сургутского государственного университета с использованием общепринятых методик [10, 15] в 2021–2023 гг.
Для адаптации укорененных in vitro растений с хорошо развитой корневой системой к нестерильным условиям с применением субстратов их вынимали пинцетом из пробирки и промывали корни в 1 % растворе перманганата калия. Далее растения пересаживали в кассеты (объемом 81,7 см3), заполненные предварительно пропаренным при температуре 90 °C торфом верхового типа. Затем проводили опрыскивание растений водой из пульверизатора, после чего надевали колпачки. При этом субстраты предварительно проливали 5 % раствором перманганата калия и оставляли в темном месте на 7 сут.
Адаптацию растений-регенерантов проводили в гидропонной установке вертикального типа ABS (производство ООО «Активные биологические системы», Россия) в режиме периодического затопления. Гидропонная установка представляет собой стеллаж (2,0 × 1,3 м) с двумя поддонами, крышками с отверстиями для горшочков (диаметром по 6 см), баком для питательного раствора (100 л), насосом, питающими и возвратными шлангами (для транспортировки питательного раствора). Преимущество системы затопления заключается в обеспечении хорошей оксигенации корней, когда отработанный воздух вытесняется из корневой зоны путем подъема уровня воды, а поступление нового свежего воздуха обеспечивается его понижением [12, 13].
Укоренившиеся в культуре in vitro растения вынимали из пробирки, промывали в бидистиллированной воде и растворе перманганата калия (рис. 1). После чего растения помещали в горшочки, на 1/3 объема заполненные стерильным керамзитом (размер фракции – 0,5–1,0 см) (рис. 2), и устанавливали их в лотки с прозрачными крышками для поддержания высокой влажности воздуха. Затем горшочки помещали на стеллаж, где они освещались светодиодными лампами белого спектра (световой поток – 8 тыс. лм, РРF – 165 мкмоль/с/м2, цветовая температура – 4 000 K), расположенными на высоте около 50 см до высаженных растений. Растения выращивали при 16-часовом световом режиме на протяжении всего периода вегетации.
|
|
|
|
Рис. 1. Процесс обработки побегов V. macrocarpon в растворе KMnO4 |
Рис. 2. Пересадка побегов V. macrocarpon в горшочки с керамзитом |
Подачу питательного раствора в течение 15 мин проводили 6-кратно за сутки. Для подкормки использовали полностью растворимое комплексное удобрение Yara Ferticare Hydro (производитель – Yara Int., Норвегия) с содержанием микроэлементов (NPK 6:14:30) и кальциевую селитру. Уровень кислотности (pH) – 5,8–6,0. В течение 10 сут увеличивали концентрацию солей до 1,3 мСм/см, после 20 сут – до 1,8 мСм/см. Каждые 12 дней проводили замену питательного раствора. Через 7, 14, 20, 30, 50 и 70 сут после пересадки систематически проводили учет приживаемости и морфометрических показателей роста растений (число и длина побегов, число листьев, число и длина корней). Опыты закладывались в 3-кратной повторности, по 100 растений-регенерантов в каждой.
Результаты и их обсуждение. Анализ результатов проведенных исследований показал, что на этапе адаптации растений-регенерантов V. macrocarpon к нестерильным условиям на субстрате из верхового торфа период культивирования оказывал разное влияние на приживаемость и биометрические показатели надземной части растений. Наибольшая приживаемость растений на верховом торфе отмечалась на 70-е сут выращивания (75–80 %), при этом существенных сортовых различий по этому показателю не выявлено (табл. 1). У всех исследуемых сортов V. macrocarpon увеличение фитомассы наблюдалось на 50–70-е сут, что говорит о правильном физиологическом развитии растений в данных условиях.
Таблица 1
Приживаемость и средние морфометрические показатели растений V. macrocarpon
при адаптации к торфяному субстрату
|
Сорт |
Период адаптации, сут |
Приживаемость, % |
Число листьев, шт. |
Длина побегов, см |
|
Ben Lear |
7 |
18 |
16,2±0,18 |
2,8±0,10 |
|
14 |
26 |
20,1±0,24 |
3,3±0,12 |
|
|
20 |
42 |
28,4±0,11 |
4,4±0,14 |
|
|
30 |
51 |
37,3±0,16 |
4,8±0,17 |
|
|
50 |
70 |
42,6±0,14 |
5,3±0,19 |
|
|
70 |
78 |
50,6±0,21 |
6,8±0,11 |
|
|
Piligrim |
7 |
14 |
12,2±0,17 |
1,9±0,13 |
|
14 |
24 |
17,1±0,18 |
3,6±0,16 |
|
|
20 |
38 |
31,0±0,13 |
4,1±0,14 |
|
|
30 |
48 |
36,9±0,21 |
4,6±0,11 |
|
|
50 |
57 |
48,7±0,10 |
5,7±0,15 |
|
|
70 |
75 |
54,3±0,24 |
6,4±0,12 |
|
|
Мерянка |
7 |
22 |
10,3±0,16 |
2,3±0,09 |
|
14 |
30 |
26,7±0,11 |
2,6±0,12 |
|
|
20 |
46 |
39,8±0,19 |
4,9±0,17 |
|
|
30 |
52 |
48,2±0,23 |
6,3±0,26 |
|
|
50 |
64 |
54,6±0,29 |
7,8±0,29 |
|
|
70 |
78 |
58,3±0,34 |
8,2±0,37 |
|
|
Славянка |
7 |
16 |
8,3±0,09 |
2,8±0,12 |
|
14 |
31 |
19,8±0,17 |
3,9±0,19 |
|
|
20 |
43 |
29,5±0,19 |
4,9±0,21 |
|
|
30 |
54 |
34,9±0,21 |
6,9±0,26 |
|
|
50 |
69 |
56,3±0,30 |
8,1±0,32 |
|
|
70 |
80 |
60,1±0,32 |
8,7±0,34 |
В результате проведенных исследований при использовании гидропонной установки выявлено, что приживаемость регенерантов V. Macrocarpon как зарубежных, так и отечественных сортов была наименьшей при периоде адаптации 7 дней и не превышала 40 %, тогда как при увеличении времени адаптации до 14, 20 и 30 сут наблюдалось увеличение приживаемости соответственно в 1,6–2,0 раза, в 1,8–2,5 и в 2,3–3,1 раза. При периоде адаптации 50 и 70 дней приживаемость всех растений V. macrocarpon составила 100 % (табл. 2).
Таблица 2
Приживаемость растений-регенерантов V. macrocarpon,
адаптируемых на гидропонной установке, %
|
Сорт |
Период адаптации, сут. |
|||||
|
7 |
14 |
20 |
30 |
50 |
70 |
|
|
Ben Lear |
27 |
54 |
67 |
85 |
100 |
100 |
|
Piligrim |
28 |
50 |
64 |
80 |
100 |
100 |
|
Мерянка |
32 |
60 |
72 |
89 |
100 |
100 |
|
Славянка |
40 |
62 |
70 |
92 |
100 |
100 |
Анализ полученных результатов (табл. 3) показал, что ассимиляционный аппарат адаптируемых растений V. macrocarpon начинает заметно развиваться при периоде адаптации от 20 сут, о чем свидетельствуют показатели образования вегетативной массы (число побегов и листьев) (рис. 3, а, б). Наилучшие морфометрические показатели надземной части растений V. macrocarpon отмечены при периоде адаптации 50–70 сут (рис. 3, в, г), при этом значения средних показателей у растений сортов российской селекции незначительно (в 1,1–1,3 раза) превышали аналогичные параметры у зарубежных сортов. Установлено, что у растений V. Macrocarpon сортов Мерянка и Славянка на гидропонной установке может формироваться до 5 побегов на одном растении, тогда как у зарубежных сортов – только до 4 побегов, что говорит о преимуществе использования российских сортов для размножения.
Таблица 3
Средние морфометрические показатели растений-регенерантов V. macrocarpon,
адаптируемых на гидропонной установке
|
Сорт |
Период адаптации, сут |
Число побегов, шт. |
Длина побегов, см |
Число листьев, шт. |
Число корней, шт. |
Длина корней, см |
|
Ben Lear |
7 |
1,0±0,11 |
3,8±0,15 |
20,2±1,02 |
1,8±0,16 |
0,8±0,16 |
|
14 |
2,0±0,18 |
4,2±0,20 |
28,8±0,98 |
2,2±0,12 |
1,3±0,12 |
|
|
20 |
2,4±0,21 |
5,0±0,14 |
38,4±1,01 |
3,9±0,17 |
5,8±0,19 |
|
|
30 |
3,3±0,19 |
7,2±0,24 |
44,5±1,21 |
5,8±0,28 |
7,9±0,44 |
|
|
50 |
3,8±0,26 |
15,3±0,12 |
73,2±1,33 |
19,3±0,64 |
13,2±0,67 |
|
|
70 |
4,3±0,13 |
28,4±0,11 |
84,0±1,26 |
24,3±0,87 |
25,6±0,74 |
|
|
Piligrim |
7 |
1,3±0,20 |
2,5±0,20 |
18,2±1,13 |
2,3±0,34 |
1,2±0,13 |
|
14 |
2,1±0,11 |
4,4±0,23 |
31,3±1,22 |
2,8±0,27 |
1,9±0,18 |
|
|
20 |
3,1±0,17 |
5,2±0,19 |
40,6±1,34 |
4,1±0,21 |
4,9±0,19 |
|
|
30 |
3,9±0,15 |
7,6±0,12 |
46,7±1,45 |
6,9±0,17 |
5,2±0,23 |
|
|
50 |
4,0±0,22 |
13,9±0,29 |
57,9±1,72 |
14,2±0,14 |
12,2±0,24 |
|
|
70 |
4,1±0,17 |
24,9±0,15 |
86,1±1,39 |
20,4±0,18 |
21,3±0,32 |
|
|
Мерянка |
7 |
1,2±0,12 |
3,3±0,18 |
22,3±1,23 |
1,6±0,13 |
1,2±0,31 |
|
14 |
2,2±0,19 |
3,8±0,11 |
30,2±1,18 |
2,6±0,14 |
2,3±0,19 |
|
|
20 |
3,3±0,18 |
5,2±0,30 |
42,4±1,39 |
3,0±0,18 |
5,3±0,32 |
|
|
30 |
4,0±0,11 |
8,3±0,34 |
50,6±1,52 |
7,2±0,13 |
6,8±0,56 |
|
|
50 |
4,5±0,23 |
19,3±0,29 |
66,2±1,73 |
16,3±0,28 |
17,3±0,44 |
|
|
70 |
5,1±0,19 |
30,2±0,44 |
92,4±1,90 |
22,1±0,32 |
24,0±0,52 |
|
|
Славянка |
7 |
1,9±0,09 |
3,0±0,14 |
16,9±1,10 |
2,3±0,21 |
1,0±0,13 |
|
14 |
2,6±0,16 |
4,2±0,19 |
27,4±1,13 |
3,2±0,64 |
2,6±0,24 |
|
|
20 |
3,0±0,20 |
5,8±0,28 |
46,8±1,43 |
7,9±0,72 |
5,5±0,20 |
|
|
30 |
3,9±0,17 |
8,3±0,32 |
58,8±1,64 |
15,8±0,99 |
7,8±0,19 |
|
|
50 |
4,7±0,19 |
15,6±0,40 |
69,4±1,89 |
23,2±0,89 |
18,6±0,13 |
|
|
70 |
5,1±0,23 |
27,4±0,42 |
95,4±2,01 |
25,6±1,01 |
26,1±0,96 |
Похожая тенденция наблюдалась и при развитии корневой системы адаптируемых растений V. macrocarpon на гидропонной установке. При увеличении периода адаптации с 7 до 30 сут число корней растений всех исследуемых сортов увеличилось в среднем в 3,0–6,8 раза. При увеличении периода адаптации до 50–70 сут выявлено значительное увеличение показателей, превышающее аналогичные значения на 7-е сут адаптации: по числу корней – в 6,2–13,8 раза, по длине корней – в 10,2–32,0 раза. При этом максимальные средние значения морфометрических показателей подземной системы адаптируемых растений отмечены у сорта Славянка, незначительно меньше – у сорта Ben Lear.
Сравнительный анализ показал, что растения V. macrocarpon, пересаженные из питательной среды в культуре in vitro в условия ex vitro с помощью гидропонного метода, успешно прижились на выбранном субстрате и активно развивались, при этом активный прирост длины побегов наблюдался после 30 дней культивирования, а суммарный прирост побегов – после 1,5 месяцев выращивания. При этом приживаемость растений V. macrocarpon всех исследуемых сортов, адаптированных на торфяном субстрате без использования гидропонной установки, через 50–70 сут после их пересадки оказалась в 1,3–1,8 раза меньше по сравнению с гидропонным методом выращивания, тогда как значения длины побегов – в среднем в 1,9–4,2 раза меньше, числа листьев – в 1,2–1,7 раза.
|
|
|
|
а |
б |
|
|
|
|
в |
г |
Рис. 3. Адаптируемые растения V. macrocarpon в условиях гидпропоники
при периоде культивирования: а – 7 сут; б – 20 сут; в – 50 сут; г – 70 сут
Заключение. Таким образом, приживаемость растений-регенерантов V. macrocarpon при адаптации к нестерильным условиям с использованием гидропонной установки была максимальной на 50–70-е сут культивирования и составила 100 %, тогда как без использования гидропоники на субстрате из верхового торфа данный показатель не превышал 80 %. Морфометрические показатели растений V. Macrocarpon имели высокие значения также при использовании гидропонной установки, при этом по числу побегов, числу и длине корней сорта российской селекции имеют преимущества по сравнению с зарубежными сортами. Использование гидропонного метода перспективно для адаптации растений V. macrocarpon, полученных методом микроклонального размножения, при получении высококачественного посадочного материала отечественных сортов в целях плантационного выращивания в условиях европейской части России.
1. Eck P. The American Cranberry. New Brunswick & London: Rutgers University Press, 1990. 420 p.
2. Черкасов А.Ф. Плантационное возделывание клюквы в США // Лесное хозяйство. 2002. № 4. С. 46.
3. Ториков В.Е. Лекарственная ценность овощных, плодово-ягодных, полевых растений и дикоросов: монография. Брянск: Изд-во Брянской ГСХА, 2013. 292 с.
4. Колонтарев К.Б., Зайцев А.В. Применение проантоцианидинов клюквы в терапии рецидивирующей мочевой инфекции // Медицинский совет. 2014. № 19. С. 28–31.
5. Лютикова М.Н., Ботиров Э.Х. Химический состав и практическое применение ягод брусники и клюквы // Химия растительного сырья. 2015. № 2. С. 5–27. DOI: 10.14258/ jcprm.201502429.
6. Горбунов И.В., Рязанова Л.Г. Ягодные культуры: учеб. пособие. Краснодар: Кубан. гос. аграрный ун-т им. И.Т. Трубилина, 2017. 198 с.
7. Vilbaste H., Vilbaste J., Ader K. Cranberry – The Grape of the North. Tallinn: Ministry of Environment, Republic of Estonia, Nigula State Nature Reserve, 1995. 16 p.
8. Тяк Г.В., Курлович Л.Е., Тяк А.В. Биологическая рекультивация выработанных торфяников путем создания посадок лесных ягодных растений // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2016. Т. 11, № 2. С. 43–46. DOI:https://doi.org/10.12737/20633.
9. Коренев И.А., Тяк Г.В., Макаров С.С. Создание новых сортов лесных ягодных растений и перспективы их интенсивного размножения (in vitro) // Лесохозяйственная информация. 2019. № 3. С. 180–189. DOI:https://doi.org/10.24419/LHI.2304-3083.2019.3.15.
10. Сельскохозяйственная биотехнология и биоинженерия: учебник / В.С. Шевелуха [и др.]; под общ. ред. В.С. Шевелухи. М.: URSS, 2015. 715 с.
11. Вахмистров Д.Б. Растения без почвы. М.: Рипол Классик, 2013. 118 с.
12. Texier W. Hydroponics for Everybody. All about Home Horticulture. Paris: Mama Publ., 2013. 328 p.
13. Шишкин П.В., Антипова О.В. Бессубстратная технология гидропонного выращивания // Овощи России. 2017. № 3 (36). С. 56–61.
14. Применение освещения различного спектрального диапазона при клональном микроразмножении лесных ягодных растений / С.С. Макаров [и др.] // Известия вузов. Лесной журнал. 2022. № 6. С. 82–93. DOI:https://doi.org/10.37482/0536-1036-2022-6-82-93.
15. Выращивание лесных ягодных растений в условиях in vitro: лабораторный практикум / сост. С.С. Макаров [и др.]. Караваево: Костромская ГСХА, 2019. 48 с.
