Воронеж, Россия
с 01.01.2018 по 01.01.2025
Россия
Россия
Изучение физиологических реакций ювенильных растений на засуху имеет ключевое значение для селекции лесных древесных пород на продуктивность и устойчивость. Целью исследования была оценка влияния почвенной засухи, смоделированной с помощью дождезащитных укрытий, на параметры газообмена и водного режима у трёхлетних контейнерных растений контрастных генотипов. В исследовании использовали 4 семьи дуба черешчатого (Quercus robur L.), 3 генотипа березы пушистой (Betula pubescens Ehrh.), 1 генотип березы повислой (Betula pendula Roth.) и одну трансгенную линию березы пушистой (F14GS8b). Измеряли интенсивность видимого фотосинтеза (Pн), транспирации (E), устьичной проводимости (gs) и рассчитывали эффективность использования воды (WUE). У всех растений засуха вызвала достоверное снижение Pн, E и gs. Установлена сильная прямая корреляция между устьичной проводимостью и интенсивностью фотосинтеза (r = 0,8). Выявлена значительная межиндивидуальная изменчивость реакции на стресс. Среди изученных генотипов выделены потенциально устойчивые, характеризующиеся наименьшим снижением Pн в условиях засухи (например, семья дуба 233.57 и 339.57, генотип березы БП4а), а также генотипы с высокой продуктивностью в оптимальных условиях (семья дуба 63.12, генотип березы ББ4б). Растения дуба в условиях засухи достигали более высокой эффективности использования воды (до 10.4 мкмоль CO₂/моль H₂O), чем береза. Полученные нами результаты свидетельствуют об индивидуальной генотипической реакции древесных растений на уменьшение их влагообеспеченности, что открывает возможности для целенаправленного отбора перспективных генотипов в селекционных программах.
интенсивность видимого фотосинтеза, интенсивность транспирации, эффективность использования воды, семьи, дуб черешчатый, береза пушистая, береза повислая, адаптивный потенциал
Текст (PDF): Читать Скачать
Текст (PDF): Читать Скачать
Текст (PDF): Читать Скачать
Текст (PDF): Читать Скачать
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
1. Сергиенко В.Г., Константинов А.В. Прогноз влияния изменения климата на разнообразие природных экосистем и видов флористических и фаунистических комплексов биоты России // Труды Санкт-Петербургского научно-исследовательского института лесного хозяйства. – 2016. – № 2. – С. 29–44. – EDN WDJUGJ.
2. Кузнецов В.В. Физиологические механизмы адаптации хвойных к засухе // Механизмы устойчивости растений и микроорганизмов к неблагоприятным условиям среды: материалы Всерос. конф. с междунар. участием (Иркутск, 10–15 июля 2018 г.) / Общество физиологов растений России. – Иркутск, 2018.
3. Amoah J.N., Seo Y.W. Effect of progressive drought stress on physio-biochemical responses and gene expression patterns in wheat. 3 Biotech; 2021; 11 (10): 440. – DOI:https://doi.org/10.1007/s13205-021-02991-6.
4. Алиев Р.Т., Мамедова А.Д., Гусейнова Т.Н., Гаджиев Э.С. Различие в амплитуде физиологических параметров некоторых сельскохозяйственных растений при адаптации к стрессу засухи // Актуальные исследования. – 2022. – № 6 (85). – С. 6–9. – URL: https://apni.ru/article/3711-razlichie-v-amplitude-fiziologicheskikh-param
5. Гончарова Ю.К., Харитонов Е.М., Очкас Н.А., Гончаров С.В., Свинарёв С.В. Методы анализа и механизмы устойчивости к засухе (обзор) // Рисоводство. – 2020. – № 4 (49). – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/metody-analiza-i-mehanizmy-ustoychivosti-k-zasuhe-obzor (дата обращения: 12.11.2025).
6. Ashraf M., Harris P.J. Photosynthesis under stressful environments: An overview. Photosynthetica; 2013; 51 (2): 163–190.
7. Sevanto S. Phloem transport and drought. Journal of Experimental Botany; 2014; 65 (7): 1751–1759.
8. Reddy K.R., Zhao D. Interactive effects of elevated CO₂ and potassium deficiency on photosynthesis, growth, and biomass partitioning of cotton. Field Crops Research; 2005; 94 (2–3): 201–213.
9. Bertioli D.J., Cannon S.B., Froenicke L. [et al.] The genome sequences of Arachis duranensis and Arachis ipaensis, the diploid ancestors of cultivated peanut. Nature Genetics; 2016; 48 (4): 438–446.
10. Polley W.H. Implications of atmospheric and climate change for crop yield and water use efficiency. Crop Science; 2002; 42: 131–140.
11. Sun Y., Wang C., Chen H.Y.H., Ruan H. Response of plants to water stress: a meta-analysis. Frontiers in Plant Science; 2020; 11: 978. – DOI:https://doi.org/10.3389/fpls.2020.00978.
12. Аллагулова Ч.Р., Юлдашев Р.А., Авальбаев А.М. Участие оксида азота в регуляции развития растений и их устойчивости к дефициту влаги // Физиология растений. – 2023. – Т. 70, № 2. – С. 134–153. – DOI:https://doi.org/10.31857/S0015330323020015.
13. Жукова О.И. Экологическая устойчивость популяции биотипов и форм древесных видов к почвенной засухе // Наука. Мысль: электронный периодический журнал. – 2014. – № 1. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ekologicheskaya-ustoychivost-populyatsii-biotipov-i-form-drevesnyh-vidov-k-pochvennoy-zasuhe (дата обращения: 16.09.2025).
14. Дроздов С.Н., Холопцева Е.С., Сазонова Т.А. Свето-температурная характеристика сеянцев березы пушистой (Betula pubescens Betulaceae) // Известия вузов. Лесной журнал. – 2014. – № 1 (337). – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sveto-temperaturnaya-harakteristika-seyantsev-berezy-pushistoy-betula-pubescens-betulaceae (дата обращения: 12.11.2025).
15. Бугаев В.А., Мусиевский А.Л., Царалунга В.В. Дубравы лесостепи. – Воронеж: ВГЛТУ им. Г.Ф. Морозова, 2013. – 247 с. – ISBN 978-5-7994-0559-5.
16. Гродецкая Т.А., Евлаков П.М., Исаков И.Ю. Анализ экспрессии генов стрессоустойчивости в условиях воздействия засухи на растения березы в Центрально-Черноземном регионе // Лесотехнический журнал. – 2020. – № 2 (38). – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/analiz-ekspressii-genov-stressoustoychivosti-v-usloviyah-vozdeystviya-zasuhi-na-rasteniya-berezy-v-tsentralno-chernozemnom-regione (дата обращения: 10.11.2025).
17. Иозус А.П., Завьялов А.А. Селекция и гибридизация березы повислой в условиях сухой степи юго-востока европейской территории России // Междунар. журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2019. – № 2. – С. 68–72.
18. Дьякова И.Н., Толстикова Т.Н. Оценка засухоустойчивости интродуцированных видов рода Quercus // Вестник Адыгейского гос. ун-та. Серия: Естественно-математические и технические науки. – 2010. – № 3. – С. 95–103.
19. Daai Z., Jinfeng G., Yiping Q. [et al.] Preliminary study on fecundity of common buckwheat under controlled conditions. Proceedings of the 12th International Symposium on Buckwheat; Laško, Slovenia, 2013; 172–174.
20. Evans J.R., Loreto F. Acquisition and diffusion of CO₂ in higher plant leaves. Photosynthesis: physiology and metabolism; ed. by R.C. Leegood, T.D. Sharkey, S. von Caemmerer. Dordrecht: Kluwer Academic, 2000; 321–351.
21. Flexas J., Medrano H. Drought-inhibition of photosynthesis in C₃ plants: stomatal and non-stomatal limitations revisited. Annals of Botany; 2002; 89: 183–189.
22. Якушкина Н.И., Бахтенко Е.Ю. Физиология растений. – М.: Владос, 2005. – 463 с.
23. Atkinson C.J., Policarpo M., Webster A.D., Kingswell G. Drought tolerance of clonal Malus determined from measurements of stomatal conductance and leaf water potential. Tree Physiology; 2000; 20: 557–563.
24. Евлаков П.М., Попова А.А., Рыжкова В.С. [и др.] Влияние засухи на фотосинтетические особенности, устьичную проводимость и эффективность использования воды у ювенильных растений дуба черешчатого (Quercus robur L.) // Труды Санкт-Петербургского научно-исследовательского института лесного хозяйства. – 2023. – № 4. – С. 63–74. – DOI:https://doi.org/10.21178/2079-6080.2023.63. – EDN PUMXPG.
25. Рост и газообмен СО2 у лесных деревьев: Рассчитана на физиологов растений, экологов, ботаников и лесоводов / Ю. Л. Цельникер, И. С. Малкина, А. Г. Ковалев [и др.]. – Москва: МАИК "Наука/Интерпериодика", 1993. – 256 с. – ISBN 5-02-004148-3. – EDN YRAZBJ.
26. Сазонова Т.А., Болондинский В.К., Придача В.Б., Новичонок Е.В. Влияние водного дефицита листа на фотосинтез березы повислой // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2016. – № 10-4. – С. 595–597. – URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=10396 (дата обращения: 14.11.2025).
27. Arland A. Fiebernde Pflanzen – mehr Brot (Auf neun Wegen zur Steigerung der Kulturpflanzenerträge). – Berlin : Acad. Verlag, 1953. – S. 81–98.
28. Structural and functional peculiarities of plants from the genus Betula L. at early stages of ontogenesis / V. B. Pridacha, V. K. Bolondinskii, T. A. Sazonova, A. V. Olchev // Biology Bulletin. 2017; 44 (2):144-149. – DOIhttps://doi.org/10.1134/S1062359017020157. – EDN YVETFV.
29. Никитин С.Н. Фотосинтетическая деятельность растений в посевах и динамика ростовых процессов при применении биологических препаратов // Успехи современного естествознания. – 2017. – № 1. – С. 33–38. – URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36338 (дата обращения: 10.11.2025).
30. Qiao M. Impacts of drought on photosynthesis in major food crops and the related mechanisms of plant responses to drought / M. Qiao, C. Hong, Y. Jiao, S. Hou, H. Gao. Plants; 2024; 13 (13): 1808. – DOI:https://doi.org/10.3390/plants13131808.
31. Хмелевская И.А. Эколого-физиологические исследования древесных пород в г. Пскове // Вестник Псковского государственного университета. Серия: Естественные и физико-математические науки. – 2008. – № 6. – URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ekologo-fiziologicheskie-issledovaniya-drevesnyh-porod-v-g-pskove (дата обращения: 17.09.2025).
32. Arend M., Kuster T., Günthardt-Goerg M.S., Dobbertin M. Provenance-specific growth responses to drought and air warming in three European oak species (Quercus robur, Q. petraea and Q. pubescens). Tree Physiology; 2011; 31 (3): 287–297. – DOI:https://doi.org/10.1093/treephys/tpr004. – PMID: 21422189.
33. Turcsán A., Steppe K., Sárközi E. [et al.] Early summer drought stress during the first growing year stimulates extra shoot growth in oak seedlings (Quercus petraea L.). Frontiers in Plant Science; 2016; 7: 193. – DOI:https://doi.org/10.3389/fpls.2016.00193.
34. Kou J., Yan D., Qin B. [et al.] Physiological response mechanism of European birch (Betula pendula Roth) to PEG-induced drought stress and hydration. Frontiers in Plant Science; 2023; 14: 1226456. – DOI:https://doi.org/10.3389/fpls.2023.1226456.
35. Савельева Е.М., Тараканов И.Г. К проблеме регуляции фотосинтеза и водного обмена у растений рапса (Brassica napus L.) в онтогенезе // Известия Тимирязевской сельскохозяйственной академии. – 2014. С. 36–51.
