Введение
Климатические изменения последних десятилетий сопровождаются учащением периодов засухи, что особенно заметно в умеренной зоне России, [1] где засушливые годы чередуются с экстремально жаркими сезонами. Это ведёт к снижению прироста, усыханию насаждений и изменению видовой структуры лесов.
Одним из наиболее чувствительных физиологических процессов к дефициту влаги является фотосинтез, определяющий рост и углеродный баланс растений. Под действием засухи снижаются устьичная проводимость, скорость поглощения СО₂ и фотохимическая активность хлоропластов, что приводит к накоплению активных форм кислорода и нарушению целостности мембран [2]. Аналогичные реакции наблюдаются и у травянистых культур. В частности, у пшеницы засуха вызывала снижение содержания фотосинтетических пигментов и биомассы побегов, накопление пролина, а также повышение активности антиоксидантных ферментов — супероксиддисмутазы, каталазы и аскорбатпероксидазы, что отражает активацию защитных механизмов при водном дефиците [3]. Однако устойчивость к засухе варьирует между видами, популяциями и даже генотипами, что подчёркивает значение сравнительных исследований физиологических механизмов адаптации [4,5].
Для хвойных пород показано, что сеянцы сосны и ели способны поддерживать водный статус даже при низком водном потенциале среды за счёт развитого осмотического процесса и регуляции клеточной стенки [2]. однако для лиственных, таких как дуб и берёза, аналогичные данные о фотосинтезе и водообмене в контролируемых условиях отсутствуют, что и определяет новизну данной работы. Закрытие устьиц представляет собой основную адаптационную реакцию растений на засуху, поскольку это предотвращает чрезмерную потерю воды, снижает температуру поверхности листьев и повышает эффективность водопользования [6]. Устьичные отверстия играют важную роль не только в регуляции водного обмена, но и в контроле поступления углекислого газа [7]. При длительном и интенсивном водном стрессе уровень углекислого газа в листьях и его транспортировка уменьшаются, что приводит к снижению концентрации CO2 в хлоропластах и угнетению фотосинтетической активности. Уменьшение CO2 ограничивает работу ключевых ферментов, таких как сахарозофосфатсинтаза и нитратредуктаза, а также затрудняет регенерацию рибулозы бисфосфата RuBP и ингибирует Рубиско [8]. В условиях водного стресса также наблюдается повреждение тилакоидной мембраны хлоропластов, что нарушает стабильность фотосинтетических пигментов и снижает скорость фотосинтеза [9]. Современные исследования акцентируют внимание на методах оценки эффективности использования воды растениями, что позволяет интерпретировать физиологические процессы в условиях водного стресса [10,11]. Важная роль в поддержании фотосинтетической активности при водном стрессе принадлежит сигнальным молекулам, таким как абсцизовая кислота (ABA) и оксид азота (NO). NO участвует в ABA-зависимом закрытии устьиц, активации антиоксидантных ферментов и снижении фотодеструкции пигментов [12]. Эти молекулярные механизмы позволяют растениям поддерживать баланс между интенсивностью фотосинтеза и потерей воды, предотвращая развитие окислительного стресса. Таким образом, в качестве индикаторов для оценки чувствительности ювенильных растений были выбраны параметры газообмена и транспирации листа, интенсивности фотосинтеза, эффективности использования воды.
Различия по устойчивости обнаруживаются как между отдельными видами, так и их генотипами. Представляется возможным поиск этих признаков у молодых растений, полученных в результате размножения материнских деревьев [13]. Выбор объектов исследования обусловлен их экологической и хозяйственной значимостью для лесоразведения в Центральной лесостепи. Дуб черешчатый (Quercus robur L.), берёза повислая (Betula pendula Roth.) и берёза пушистая (B. pubescens Ehrh.) — основные лесообразующие породы европейской части России, важные для лесовосстановления и защитного лесоразведения [14]. Дуб характеризуется умеренной засухоустойчивостью и высокой продуктивностью в условиях лесостепи [15], а берёзы отличаются способностью приспосабливаться к разным условиям произрастания, но остаются чувствительными к длительному дефициту влаги [16].
Селекционные исследования выявили внутривидовую изменчивость по водопотреблению и устойчивости у форм березы [17]. В сравнительных исследованиях видов рода Quercus показано, что дуб черешчатый сохраняет стабильное содержание воды в листьях и умеренную интенсивность транспирации при колебаниях водного режима [18], что отражает его способность поддерживать водный баланс в засушливых условиях. Эти данные подтверждают перспективность изучения физиологических механизмов засухоустойчивости дуба черешчатого для отбора устойчивых форм и создания адаптированных лесных насаждений.
Мы предполагаем, что чувствительность параметров фотосинтеза и водного режима генотипов F2 потомства ранее изучаемых материнских деревьев (семей), анализируемых в ходе исследования дуба и березы по продуктивности, будет различной. Установление особенностей изменений интенсивности фотосинтеза, транспирации и эффективности использования воды и выявление генотипов с различной чувствительностью данных физиологических параметров необходимо для селекции древесных растений с применением генетических и омикс-технологий.
Целью исследования является оценка чувствительности трехлетних растений контрастных семей дуба черешчатого и генотипов березы двух видов (б. повислая и б. пушистая) и трансгенной линии б. повислой к засухе на основе анализа параметров газообмена и водного режима в контролируемых условиях дождезащитных укрытий.
Объекты и методика исследования
В ходе исследования по оценке чувствительности растений дуба и березы к засухе эксперимент проводился на контейнерных растениях 4 генотипов дуба черешчатого (Quercus robur L.), 4 генотипов берез: генотипы березы пушистой (Betula pubescens Ehrh.) и б. повислой (Betula pendula Roth), а также трансгенная линия б. пушистой F14GS8b. Все экспериментальные растения одновозрастные (трехлетние). В эксперименте использовали растения, выращенные в условиях открытого грунта с использованием дождезащитных укрытий в течение вегетационного периода 2024 года.
Трехлетние растения дуба были выращены из желудей, собранных в 2022 году с деревьев F1 потомства плюсовых деревьев Шипова леса. Лесосеменная плантация (расположение: Воронежская область, Семилукский лесной селекционный опытно-показательный питомник (51°42′47′ с. ш., 38°57′08′ в. д.) является научным объектом, создана в 1976 году посевом желудей, заготовленных под кронами плюсовых деревьев позднораспускающейся и промежуточной формы дуба в Шиповом лесу. Материнские деревья известного происхождения объединены в семьи, возраст материнских деревьев составляет 49 лет, расположение деревьев на плантации - 5 на 5 метров.
Ювенильные растения березы представлены потомствами деревьев B. pendula и B. pubescens, а также трансгенной линией B. pubescens F14GS8b, созданной в лаборатории лесной биотехнологии ФИБХ РАН. Ювенильные растения, полученные посевом семян анализируемых популяций берез, переданы ФИБХ РАН в ВГЛТУ для проведения эксперимента в дождезащитных укрытиях весной 2024 г. Семена собраны в локальных популяциях Воронежской области, различающихся по происхождению и физиологическим характеристикам. Все растения выращивались в контейнерах, с единым субстратом и контролируемым поливом, что обеспечило единые стартовые условия перед проведением эксперимента по засухе. Саженцы дуба черешчатого выращивали в контейнерах объемом 4 л и высотой 22 см. Одновозрастные растения березы были высажены в 2-х литровые контейнеры высотой 17 см. Субстрат - торфяная смесь VELTORF (производитель – ООО «Велторф», Псковская область).
Засушливые условия для роста растений в эксперименте моделировали с использованием дождезащитных укрытий в течении 7 недель.
Климатические условия г. Воронежа в период проведения эксперимента представлены на рисунке 1. Влажность воздуха в августе варьировала от 22% (1.08) до 100 % (28.08) 31 ℃, в сентябре - от 22% (17.09) до 100% (1.09). Средняя температура воздуха днем в июле составила +29℃, ночью +19°, влажность воздуха - 57%; в августе: +27° / +17°, 58%; в сентябре +25° / +14°, 41%. Регулярный полив с поддержанием определенного уровня влажности почвы проводился в двух вариантах:
1 – опыт – полив 30–40 % от полной влагоемкости субстрата;
2 – контроль – нормальный полив 70 %.
Для поддержания необходимых значений определяли влагоемкость почвы до начала эксперимента. Почву просеивали и насыпали в цилиндр диаметром 3-4 см и высотой 10-20 см (по высоте сосуда для выращивания), нижний конец обвязывали марлей, удерживающей фильтровальную бумагу.
Параллельно отбирали дополнительный образец почвы для определения влажности (высушивание при 105°С). Насыпали почву, уплотняя ее легким постукиванием, до уровня на 1-2 см ниже верхнего края. Цилиндр ставили в воду (уровень на 5-7 мм выше нижнего уровня почвы), накрывали и выдерживали до полного насыщения. Затем вынимали из воды, обсушивали снаружи и ставили на фильтровальную бумагу. Как только вода перестала стекать, цилиндр взвешивали на технических весах и на 1-2 ч помещали в кристаллизатор под колпак и вновь взвешивали. Эту операцию повторяли до постоянного веса цилиндра с почвой, поглотившей воду. Расчет полной влагоемкости проводили по следующей схеме: рассчитывали навеску воздушно-сухой почвы, взятой в цилиндр, затем рассчитывали вес абсолютно сухой почвы, определяли вес пустого цилиндра с весом абсолютно сухой почвы.
Рисунок 1 – Динамика дневных и ночных температур в г. Воронеже в период проведения
эксперимента
Figure 1 – Average monthly temperature in Voronezh during the experiment
Источник: https://www.timeanddate.com/weather/russia voronezh/historic?month=9&year=2025 Weather in сентябрь 2025 in Voronezh, Russia
По разности между весом цилиндра с почвой, насыщенной водой, и весом пустого цилиндра с весом абсолютно сухой почвы рассчитывали количество воды, удерживаемой данной навеской. Количество удерживаемой воды рассчитывали в процентах от абсолютно сухой почвы.
Общее количество растений в опыте – 151 шт. Из них: дуба черешчатого 45 шт. – контрольный вариант, 50 шт. – засуха; березы пушистой по 28 шт. контроль и опыт соответственно.
Для измерения газообмена отбирали одновозрастные, полностью сформированные, не отделенные от растения листья верхушечных побегов текущего года дуба и березы. Определение параметров устьичной проводимости, процессов транспирации и видимого фотосинтеза, температуры листа и контроль за уровнем освещения ФАР при снятии показателей проводили с помощью портативной системы измерения газообмена растений CI-340 (CID Bioscience, США).
Длительность эксперимента составила 7 недель. Фотосинтетические характеристики определяли по истечении эксперимента. Общий вид растений дуба черешчатого и березы во время исследования газообмена листа, не отделенного от растения, представлен на рисунке 2 и 3.
Рисунок 2 – Общий вид процесса исследования газообмена листа растений березы пушистой (сентябрь 2024 г.)
Figure 2 – General view of the process of studying the gas exchange of the fluffy birch leaf (September 2024)
Источник: собственная композиция авторов Source: author’s composition
Рисунок 3 – Общий вид процесса исследования газообмена листа растений дуба черешчатого (сентябрь 2024 г.)
Figure 3 – General view of the process of studying the gas exchange of the leaf of the European oak tree (September 2024)
Источник: собственная композиция авторов Source: author’s composition
Эффективность использования воды растениями (ЭИВ) оценивали делением текущих значений интенсивности фотосинтеза к интенсивности транспирации, с учетом методических рекомендаций [35,25].
Статистическую обработку полученных данных проводили с помощью программы Stadia. Использовали стандартный пакет описательной статистики, однофакторный дисперсионный и корреляционный анализы.
Результаты
