Влияние скорости замораживания и оттаивания на выживаемость тканей лозы – Физиологические особенности формирования устойчивости винограда к низким температурам

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.

Влияние замораживания на жизнеспособность микроорганизмов

Основными причинами, вызывающими порчу свежих плодов и овощей, являются повреждения, вызванные микроорганизмами. На поверхности замороженных плодоовощных продуктов обнаруживаются, главным образом, те же виды микроорганизмов, что и на свежих. Кроме того, дополнительно были установлены почвенные и водные микроорганизмы, попадающие на продукцию при переработке. Микроорганизмы относительно легко приспосабливаются к различным неблагоприятным условиям, в том числе и к низким температурам. Установлено, что некоторые виды болезнетворных бактерий остаются жизнеспособными при температурах от -20 до -45°С. Однако в замороженных продуктах никогда не отмечалось развития патогенных микроорганизмов.

Замораживание по-разному влияет на разные виды микроорганизмов. При температуре ниже -10°С микроорганизмы развиваться не могут, большинство психрофильных микроорганизмов прекращает жизнедеятельность при температурах ниже -5. -7°С. Наиболее устойчивыми к низким температурам считаются плесневые грибы и дрожжи. Наиболее чувствительны к отрицательным температурам не образующие спор бактерии. Однако полного отмирания всех микроорганизмов при замораживании практически не происходит. Например, количество спор грибов при хранении замороженных продуктов при -12°С в течение 114 дней снижалось с 10 млн единиц на 1 см 2 до нескольких единиц, которые оставались жизнеспособными и могли размножаться в благоприятных условиях. На гибель микроорганизмов при замораживании в первую очередь влияют температура и время замораживания, а также кислотность среды. Лучше всего микроорганизмы выживают в нейтральной или слабощелочной среде. Медленное замораживание вызывает более активную гибель микроорганизмов, чем быстрое, так как в них так же образуются крупные кристаллы льда, разрушающие протоплазму и клеточные оболочки. При температуре -4°С микроорганизмы погибают в большей степени, чем при -15°С и при -24°С. Установлено, что бактерии выживали при длительном хранении (220 дней) при отрицательных температурах. При -10°С выживаемость составила 2,5%, при -15°С — 8,2%, при -20°С — 53%. Некоторые виды микроорганизмов выдерживают многократное замораживание и оттаивание.

При производстве многих быстрозамороженных плодов и овощей применяется бланширование, в результате которого создаются благоприятные условия для развития микроорганизмов. При медленном охлаждении продукции, а также за счет того, что при бланшировании снижаются естественные защитные реакции самих растительных тканей, микроорганизмы получают хорошую питательную среду для жизнедеятельности. Поэтому бланшированные плоды нужно подвергать быстрому охлаждению до температуры ниже 5°С и быстрому замораживанию. Чем выше скорость замораживания, тем ниже степень обсемененности продукции микроорганизмами.

Микроорганизмы, сохранившиеся в замороженной продукции, после оттаивания могут развиваться и служить причиной ее порчи. Длительное оттаивание замороженных плодов и овощей создает благоприятные условия для развития психрофильных дрожжей, плесеней и молочнокислых бактерий. Считается, что при температуре от -10°С до +3°С могут развиваться сапрофитные психрофильные микроорганизмы, вызывающие порчу продукции. При низких положительных температурах (+3°С и выше) могут начинать медленно развиваться патогенные микроорганизмы.

При изготовлении консервов или соков из замороженных фруктов или полуфабрикатов необходимо учитывать, что добавление небольших количеств сахара повышает выживаемость микроорганизмов. Добавление поваренной соли в концентрации до 3% оказывает на бактерии защитное влияние, повышение концентрации соли вызывает осмотическую деструкцию микроорганизмов.

Анализируя известные сведения, ученые пришли к выводу, что температура хранения замороженной плодоовощной продукции, предупреждающая развитие эпифитной микрофлоры, должна быть не ниже -18°С.

Характеристика состояния устойчивости виноградного растения к низким температурам — Третья часть

По И. И. Туманову процесс закаливания растений к низким температурам состоит из двух фаз, которые проходят при различных внешних условиях и сопро­вождаются разными, специфическими для каждой фазы, внутренними физиолого-биохимическими изменениями.

Первая фаза закаливания у большинства древесных по­род, в том числе и у винограда, начинается осенью и проходит при положительных, близких к нулю, темпе­ратурах (+5 — 0°С). При этом наличие света для ви­нограда не обязательно (для злаковых он необходим).

В этот период резко увеличивается содержание саха­ров и уменьшается крахмала, поэтому данную фазу за­каливания часто характеризуют как фазу осахаривания растений. После прохождения растениями первой фазы закаливания их стойкость повышается незначительно. Т. И. Трунова доказала, что если у злаковых данная фаза будет проходить в темноте, то устойчивость расте­ний снижается, так как вместо накопления сахаров происходит их распад.

Вторая фаза закаливания проходит при температу­рах, близких к нулю, но отрицательных (от —1°С до —5°С), как на свету, так и в темноте. Она сопровож­дается частичным обезвоживанием клетки, переходом воды в межклетники, поэтому ее называют фазой обез­воживания.

Следовательно, у закаленных растений, в том числе и у ряда устойчивых сортов винограда, наряду с уве­личением сахаров в тканях, имеет место и повышение количества незамерзаемой (связанной) воды. Тем не менее, в морозную погоду, даже у очень стойких пред­ставителей и при наилучших условиях закаливания зна­чительная часть воды все же превращается в лед.

Та­кого количества льда, казалось бы, достаточно для ме­ханических повреждений цитоплазмы, и если их нет, то это потому, что у закаленных растений стойкость к таким повреждениям повышена. В зимнее время у них с трудом отжимается клеточный сок.

Определенный интерес по этому вопросу представ­ляют работы Г. А. Самыгина, которые дополняют ис­следования, проведенные ранее. Используя микроскоп с замораживающим столиком, автор доказал, что гибель клеток наступает не от низких температур, а от образования льда в тканях, и в частности внутри кле­ток. У закаленных клеток такой процесс происходит труднее, чем у незакаленных. Клетки могут погибнуть и тогда, когда лед в них не образуется, а в результате деплазмолиза, то есть при одном только обезвоживании цитопласта.

В зависимости от количества образовавшегося льда в межклетниках клетки повреждаются в разной степе­ни. Если такие повреждения незначительны, то в над­лежащих условиях оттаивания они могут восстанавли­ваться. Более сильные повреждения уже необратимы и тогда скорость оттаивания и другие условия уже не могут положительно сказаться на выживаемости тка­ней. В случае же внутриклеточного образования льда трудно предполагать возможность обратимых повреж­дений, так как такой процесс всегда приводит к гибе­ли протоплазмы от разрывов.

Следовательно, гибель клетки от неклеточного льда связана не с давлением его на клетку, а с отнятием во­ды из нее, что ведет к обезвоживанию цитоплазмы. Об­разование же внутриклеточного льда не отрицается, но в естественных условиях произрастания культуры оно идет значительно медленнее, чем в искусственных, в ре­зультате природной закалки растений.

Поскольку внутри­клеточное образование льда всегда губительно, его сле­дует избегать, что достигается выведением морозоустой­чивых сортов, цитоплазма которых обладает высокой проницаемостью, благодаря чему вода по мере пониже­ния температуры быстро выходит из клеток и замер­зает в межклетниках.

Источники:

http://vinograd.info/knigi/fiziologiya-vinograda-stoev/fiziologicheskie-osobennosti-formirovaniya-ustoychivosti-vinograda-k-nizkim-temperaturam.html
http://znaytovar.ru/s/Vliyanie-zamorazhivaniya-na-zhizne.html
http://vinocenter.ru/ustojchivost-vinograda-k-nizkim-temperaturam/xarakteristika-sostoyaniya-ustojchivosti-vinogradnogo-rasteniya-k-nizkim-temperaturam-tretya-chast.html