Обмен веществ до и после внесения ингибиторов в опытах лабораторного закаливания и промораживания черенков винограда – Физиологические особенности формирования устойчивости винограда к низким температурам

Физиологические особенности формирования устойчивости винограда к низким температурам – Новые сведения о биохимической сущности морозоустойчивости виноградной лозы

Содержание материала

С. А. Марутян
НОВЫЕ СВЕДЕНИЯ О БИОХИМИЧЕСКОЙ СУЩНОСТИ МОРОЗОУСТОЙЧИВОСТИ ВИНОГРАДНОЙ ЛОЗЫ
ВВЕДЕНИЕ
Физиолого-биохимические аспекты морозоустойчивости виноградной лозы начали освещаться в литературе с 40-х годов текущего века.
Проведены многочисленные исследования, касающиеся, в основном, изменчивости углеводного обмена и водного режима в годичном цикле развития растений в зависимости от различных условий произрастания. Многолетними физиолого-биохимическими исследованиями специалистов по морозоустойчивости виноградной лозы расширились в значительной степени теоретические знания и практические подходы к разрешению этой сложной и важной проблемы виноградарства.
Большие достижения имеются в изучении физиологического механизма закаливания виноградной лозы и в разработке температурных режимов, способствующих формированию морозоустойчивости виноградной лозы. Несмотря на эти успехи, имеется еще много невыясненных и недостаточно изученных вопросов физиологии и биохимии морозоустойчивости, что, по-видимому, связано с методическими трудностями исследования обмена веществ в одревесневших тканях. В тех случаях, когда удавалось исследовать отдельные соединения, сопоставление полученных данных затруднялось, так как работы проводились в разных экологических условиях, на разных сортах винограда. Поэтому особого внимания заслуживают следующие мало изученные и слабо освещенные в литературе вопросы: азотный и липидный обмен в период покоя; активность ферментов; динамика АТФ и микроэлементов при низких температурах; взаимосвязь различных звеньев обмена веществ в природных условиях и в опытах лабораторного закаливания и промораживания побегов; различия метаболизма корневой системы в период покоя и в начале вегетации, выясняемый анализом пасоки в период весеннего плача растений; характерные биохимические признаки высокой потенциальной морозоустойчивости растений, проявляющиеся при укоренении черенков. Полученные данные изучения этих вопросов послужили основой разработки принципов и методов биохимической диагностики морозоустойчивости растений на разных возрастных уровнях.
Объектом исследования морозоустойчивости явились открыто зимовавшие плодоносящие и молодые растения множества сортов и гибридов V. vinifera, V. labrusca, V. amurensis, выращенных в условиях орошаемой и укрывной зоны виноградарства Армении.

Климат здесь резко континентальный. Годовые и суточные перепады температуры большие. Нередко бывают резко холодные зимы с неустойчивым снеговым покровом и частыми оттепелями. Минимальная температура на поверхности почвы достигает —32°, —34°. Случаются исключительно мягкие зимы со среднесуточной температурой выше нуля. Лето жаркое, сухое. Максимум температуры достигает +40°. Сумма эффективных температур за вегетационный период составляет 4100—4400°, тогда как для самых позднеспелых сортов винограда требуется всего лишь 3300—3600°. Затяжная и теплая осень способствует нормальному вызреванию и одревеснению побегов различных видов и сортов винограда.
Объектом исследования служили побеги и корни в период осенне-зимнего покоя, пасока в период весеннего плача, а также листья и корешки укоренившихся черенков.

Физиологические особенности формирования устойчивости винограда к низким температурам

Содержание материала

К. С. Погосян
ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ВИНОГРАДА К НИЗКИМ ТЕМПЕРАТУРАМ
Эффективные меры борьбы с вымерзанием растений, большое значение которых для сельского хозяйства очевидно, могут быть разработаны лишь- исходя из понимания причин гибели растений от мороза и тех особенностей физиологических и биохимических процессов, протекающих в организме, которые обуславливают их высокую морозостойкость.
Очевидно, что без ясного понимания действия отрицательных температур на клетки и сущности вызываемых ими вредных изменений невозможно составить представления о свойствах клеток, от которых зависит их морозоустойчивость, а следовательно, и целого растительного организма в различных условиях выращивания и действия экстремальных факторов внешней среды.
Исследованиям морозоустойчивости культуры винограда предшествовали многочисленные работы, выдвигающие ряд теорий и гипотез относительно механизма устойчивости растений к морозу. Хотя проведенные исследования многое прояснили в проблеме морозоустойчивости, однако до сих пор существуют различные объяснения гибели клеток от мороза и нет общепризнанной теории этого явления.
Исторический обзор всех выдвигавшихся в разное время для объяснения вымерзания теорий и предположений можно найти в ранее вышедших монографиях (Максимов, J913; Туманов, 1940; Luyet, Geheniо, 1954; Levitt, 1956; Красавцев, 1972; Самыгин, 1974).
Современные методы тонких исследований (рентгеноструктурный анализ, электронно-микроскопические наблюдения, термография, калориметрирование) позволили уточнить ряд важных вопросов, дополняющих сведения относительно механизма выживаемости тканей у однолетних и древесных культур, в частности: способность повышения морозоустойчивости у некоторых древесных растений до сверхнизких температур (Sakai, 1956; Туманов, Красавцев, 1962); влияние скорости замораживания и оттаивания на выживаемость ткани (Самыгин, Лившин, 1970; Mazur, 1965; Туманов, 1967; Sakai, Yоshidа, 1967; Красавцев, 1969), процесс образования льда, значение его размеров и места возникновения в тканях (Туманов, Красавцев, 1966; Hatakeyma, К a t о, 1965; Salt, К а к у, 1967; Sakai, 1971, Wе izer, 1970; Карасавцев, 1972).
В настоящем изложении делается попытка представить основные стороны морозоустойчивости виноградной лозы с точки зрения физиологии;
закаливания, специфичности механизма выживаемости тканей лозы при низких температурах и в процессе их оттаивания, а также особенностей метаболизма в период закаливания и зимовки виноградного растения. Естественно, в данном случае речь идет лишь о частичном выяснении этих вопросов, поскольку прогрессирующие методы исследований постоянно вносят новую информацию.

ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЗАКАЛИВАНИЯ К НИЗКИМ ТЕМПЕРАТУРАМ

Морозоустойчивость у виноградного растения, как и у древесных, успешно развивается только при последовательном прохождении первой и второй фаз закаливания, при которых имеют место существенные и взаимосвязанные процессы, требующие определенных температурных условий. О значении закаливания и сущности каждой из фаз говорилось выше.
Процесс закаливания у однолетних и многолетних растений изучен сравнительно глубоко (Туманов, 1940, 1967; Красавцев, 1972; Самыгин, 1974). Однако имеющиеся данные о закаливании лозы в полевых условиях и особенно о второй фазе неполноценно отражают сложность и механизм изменений, происходящих в тканях винограда в ходе этого процесса. Поэтому в настоящем изложении приводятся в основном новые данные, касающиеся оптимального режима закаливания и некоторых физиологических особенностей при прохождении виноградной лозой этих процессов. Обсуждение биохимической стороны явления приводится ниже.
Согласно теории Туманова (1940,1967) многолетние растения, в том числе и виноград, способны к закаливанию после приостановки роста, вступления в покой и полного вызревания побегов.
Исследованиями последних лет выявлено, что в различные периоды осени уровень прохождения первой фазы закаливания у различных по морозоустойчивости сортов винограда неодинаковый. Хорошее закаливание в осенний период обуславливается как физиологическим состоянием виноградного растения, так и наличием соответствующих температурных условий (Погосян, 1961, 1975; Черноморец, 1972).
В зонах виноградарства, где в осенний период дневная температура воздуха колеблется в пределах от 6 до 16°, оптимальным для прохождения лозой первой фазы закаливания является градиент 0 + 2° продолжительностью действия 14—20 дней, а при более длительном действии аналогичных температур (24—30 дней) эффект первой фазы закаливания слабее.
Из отрицательных температур, особенно в ноябре, наиболее оптимальной для этой фазы является —1—3° с продолжительностью действия 10—15 дней, что обеспечивает более интенсивный гидролиз крахмала и значительное накопление сахаров (Погосян, 1961, 1967; Черноморец, 1968).
На юге в условиях продолжительной осени виноградное растение эффективно начинает воспринимать закалочные температуры, в основном, в начале ноября, когда глубина покоя значительно ослаблена. В более северных районах виноградарства эти сроки смещаются на несколько ранний период осени. На условия первой фазы растения морозоустойчивых сортов и форм реагируют значительно раньше, чем неморозоустойчивые.

Между проявлением способности воспринимать условия первой фазы и накоплением сахаров существует некоторая корреляция. Эта способность у большинства сортов приурочена примерно к периоду крахмального их максимума. Первая фаза закаливания у винограда на юге начинается в основном с первой декады ноября и продолжается до середины декабря. В этот период побеги винограда уже способны воспринимать условия второй фазы закаливания в более широком температурном диапазоне (от —3 до —12°), что способствует более эффективной закалке и проявлению в конечном итоге большей морозоустойчивости.
Следовательно, виноградное растение на определенном этапе подготовки к зиме при —3° первую фазу закаливания способно проходить так же успешно, как и вторую, но в недостаточной степени. Видимо, при температуре —3° растение в первые дни находится в переохлажденном состоянии, и в нем интенсивно происходят только гидролитические процессы, свойственные в основном первой фазе закаливания. При длительном же выдерживании при —3° переохлаждение мало вероятно (исходя из температуры промораживания клеточного сока —1,1°). Вот почему и надо полагать, что наряду с гидрологическими процессами происходит уже и замораживание тканей, слабое обезвоживание и образование льда — процессы, свойственные второй фазе.
Для ряда культур в процессе первой фазы закаливания большое значение имеет воздействие света (Туманов, 1940; Заленский, 1955; Jeremias, 1956; Тюрина, 1975). У древесных растений первая фаза закаливания одинаково успешно проходит и на свету, и в темноте (Туманов, 1960). Результаты исследований, проведенных в Армении с обезлиственными растениями и черенками в полевых и лабораторных условиях с применением искусственного затемнения (Погосян, 1961; Мкртчян, Погосян, 1966), позволяют заключить, что у винограда в силу исторически сложившейся гелеофитности первая фаза закаливания успешнее проходит в условиях освещения. Растение лучше подготавливается ко второй фазе. В конечном итоге проявляется большая морозоустойчивость, чем при закаливании в условиях затемнения.
Повышение морозоустойчивости у обезлиственных растений при закаливании на свету объясняется более интенсивным снижением содержания эндогенных стимуляторов роста в сторону увеличения ингибиторов. Не исключена возможность, что на свету наряду со специфическими ферментативными изменениями освещение может повлиять и на удлинение периода накопления эндогенных ингибиторов роста, тормозящих скрытые ростовые процессы.
Таким образом, у виноградной лозы первая фаза закаливания характеризуется интенсивным накоплением сахаров, основная функция которых заключается в стабилизирующем действии на фракционный состав воды, комплексирование с белками, ферментами (в смысле повышения их устойчивости к различным физико-химическим воздействиям), а также в ингибировании различных физиологических процессов (таких, как рост, дыхание и др.), в результате чего в клетках происходят существенные изменения, способствующие повышению устойчивости протоплазмы. В этой фазе морозостойкость лозы повышается (до —14, —16°), но не достигает своего максимума.
Наибольшая устойчивость достигается, когда высокие концентрации защитных веществ комбинируются с другим физическим состоянием протопласта, изменяющегося только иод воздействием отрицательных температур.
У древесных при второй фазе закаливания происходит сильное обезвоживание клеток, перестройка субмикроскопического строения протопласта, обеспечивающая различную проницаемость для дальнейшего оттока воды, выносливость к обезвоживанию и механическим деформациям, как и ряд других процессов, влияющих на устойчивость клеток (Туманов, 1967; Sakai, 1971; Sakai с сотр., 1968; Красавцев, 1972). В отношении винограда детальных исследований по второй фазе закаливания почти не было. Результаты изучений позволили установить, что в условиях континентального климата с продолжительной теплой осенью виноградное растение начинает наиболее успешно вторую фазу закаливания с середины декабря,когда обеспечиваются оптимальные закалочные температуры воздуха в диапазоне —3—6° и несколько ниже (Погосян, 1960, 1967, 1975; Черноморец, 1968, 1972). Однако нередки случаи резкого спада температуры в этот период до —17—20°, что может нарушить нормальный ход второй фазы закаливания. В таких случаях морозостойкие сорта винограда способны проходить закаливание даже при —17—20° и ниже, в то время как для слабоморозостойких эти условия уже губительны. При медленном, ступенчатом закаливании (20—25 дней) температурный режим второй фазы значительно смещается: для слабоморозостойких форм он может оказаться в диапазоне от —3 до —20° с повышением устойчивости до —27—28°, для морозостойких — от —6 до —30° с последующей выживаемостью почек при —35—40° в зависимости от происхождения сорта (Погосян, 1967, 1975). При таких условиях закаливания проявляется максимальная морозостойкость данного сорта.
Для повышения морозоустойчивости в процессе ступенчатого закаливания существенное значение имеет длительное и последовательное понижение температуры в диапазоне —2 до —11° (в течение 10—15 дней), при этом важной ступенью закаливания является действие температуры —5° продолжительностью более чем двух суток.
Необходимость длительного закаливания лозы в этом диапазоне температур, вероятно, обусловлена гем, что в этих условиях, кроме гидролиза крахмала и обезвоживания клетки, имеют место структурные изменения, скорость которых с понижением температуры постепенно слабеет.
В начале весны или зимних оттепелей для слабозакаленных растений эффективно длительное закаливание в интервале 0—3°, а также при —5° с продолжительностью действия в течение суток. Более длительное воздействие —5° в этот период может отрицательно повлиять на ткани виноградного растения. Следовательно, в зависимости от физиологического состояния растений действие температуры—5° может быть закаливающим или повреждающим, поскольку у виноградного растения переохлаждение воды имеет место в диапазоне температур от 0 до —5°, после чего в зависимости от скорости замораживания в интервале от —5 до —13° происходит льдообразование (Pogosian, Sakai, 1969).
В течение всего периода закаливания в побегах винограда увеличивается содержание сахаров. Изменяются интенсивность дыхания, окислительных ферментов и т. д. (Михайлов c сотр., 1965; Кириллов, 1968; Погосян, Склярова, 1968; Марутян, Абаджян, 1974).
Интенсивное накопление сахаров в процессе второй фазы закаливания происходит в диапазоне температур от —2 до —10°, при более низких температурах гидролиз крахмала происходит сравнительно медленно, особенно у сортов европейского винограда. После длительной второй фазы закаливания в побегах винограда содержится 9—10 форм сахаров со значительными изменениями в количественном соотношении отдельных фракций, в частности рафинозы, стахиози (Погосян, 1960; Погосян, Карапетян, 1970; Марутян, 1962). Существующие данные по морозоустойчивости и содержанию сахаров у одних и тех же сортов в природных условиях зимовки и искусственном замораживании приводят к мысли, что сахара, несомненно, способствуют повышению морозостойкости виноградной лозы, но не являются единственным фактором, определяющим высокую ее устойчивость, на что имеются указания и по другим культурам (Оголевец, 1966; Levitt, 1956).Вероятно, “сахарный” механизм защиты клеток может играть роль только в определенном диапазоне действия отрицательных температур (у винограда до —16—17°), при более низких температурах эту функцию выполняют уже другие процессы.

Закаливание к низким температурам — Вторая часть

Изучая степень закаливания искусственным путем, мы установили, что различная продолжительность как первой, так и второй фаз за­каливания не одинаково влияла на развитие морозо­стойкости подопытных сортов в один и тот же период.

Исследования проводились обычно в ноябре-декабре, когда среднесуточная температура воздуха ко­лебалась от 10—12°С до 7-8°С, что создавало хорошую предпосылку для нормального развития процес­сов закаливания.

Эксперименты проводились на сортах: Ркацители, Рислинг, Алиготе, Сенсо, Карабурну, Мускат гамбургский и др. Температурный режим для первой фазы закаливания создавался в пределах +2 —3°С, а для второй от —3°С до —5°С. После окончания соот­ветствующего периода закалки черенки подопытных сор­тов промораживались при —15°С в течение 20—24 часов по следующей схеме:

1) контроль, без закаливания и без проморажива­ния;

2) без предварительного закаливания, проморажи­вание при —15°С;

3) первая фаза закаливания 5 дней;

4) первая фаза закаливания 10 дней;

5) первая фаза закаливания 20 дней, вторая—5 дней;

6) первая фаза закаливания 20 дней, вторая — 10 дней;

7) вторая фаза закаливания 5 дней;

8) вторая фаза закаливания 10 дней;

9) «раззакаливание», или потеря закаленного со­стояния, в течение 15 дней при температуре 12° С;

10) повторное закаливание в течение 5 дней при температуре от —3° С до —5°С после потери закалки.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что побеги устойчивого сорта Ркацители в ноябре имели 98% здоровых глазков. При промораживании без за­каливания при температуре —15°С они сохранили толь­ко 34,5% здоровых глазков, повреждение коры оцени­валось 1—2 баллами.

Если такие побеги подвергали дальнейшему закаливанию (первая фаза 5 дней), то ко­личество здоровых глазков возрастало до 77,1%, а при более продолжительной первой фазе закаливания (10 дней)—до 85%. Если первая фаза длится 20 дней, а вторая 5 дней сохранность глазков повышается до 91,3%, максимум достигается в варианте с 30-дневным закали­ванием побегов (20 и 10 дней), где данная величина до­стигала 94,6%, что всего лишь на 3,4% меньше, чем в контрольном варианте. Побеги, которые получили толь­ко вторую фазу Накаливания в течение 5 дней, имели 71,2% здоровых глазков, а в течение 10 дней — 81,5%.

Установлено, что при повышении температуры в осен­не-зимний период происходит потеря закаленного со­стояния, причем у различных по стойкости сортов по-разному.

У одних этот процесс идет до конца, и при воз­врате низких температур такие растения не способны повторно закаляться или же это свойство у них разви­то очень слабо, что обычно присуще неморозостойким сортам. У морозостойких сортов при возврате холодов после оттепелей такое состояние восстанавливается ча­стично или полностью, в зависимости от биологических особенностей сорта.

Проведенные исследования показали, что «раззакаливание» виноградных побегов (прошедших первую фа­зу закаливания в течение 20 дней и вторую — 10 дней) длительностью 15 дней при +12°С, с последующим промораживанием при —15°С губительно сказалось на со­хранности и глазков, и тканей побегов, так как пов­реждения коры при этом оценивались 3—4 баллами, а древесины — до 1 балла.

Аналогичные же побеги, по­терявшие закаленное состояние при повторном их закаливании при температуре —3°С, —5°С в течение 5 дней, вновь обрели способность противостоять низким температурам и после промораживания сохранили 72,4% (у Ркацители) и 58,8% (у Сенсо) здоровых глазков; повреждение тканей флоэмы и ксилемы не наблюда­лось.

Источники:

http://vinograd.info/knigi/fiziologiya-vinograda-stoev/fiziologicheskie-osobennosti-formirovaniya-ustoychivosti-vinograda-k-nizkim-temperaturam-4.html
http://vinograd.info/knigi/fiziologiya-vinograda-stoev/fiziologicheskie-osobennosti-formirovaniya-ustoychivosti-vinograda-k-nizkim-temperaturam.html
http://vinocenter.ru/ustojchivost-vinograda-k-nizkim-temperaturam/zakalivanie-k-nizkim-temperaturam-vtoraya-chast.html