Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

ИНДЕКС ЖЕЛЕЗА КАК ПОКАЗАТЕЛЬ УСТОЙЧИВОСТИ ПОПУЛЯЦИЙ MEDICAGO VARIA MART. НА КАРБОНАТНЫХ ПОЧВАХ

Думачева Е.В. 1 Чернявских В.И. 1
1 Белгородский государственный научный исследовательский университет (НИУ «БелГУ»)
Рост и развитие видов Fabaceae Lind. в большей мере коррелирует с балансом минеральных элементов в тканях, чем с их абсолютным содержанием. Предыдущими исследованиями установлено, что в результате дифференциации популяций видов Fabaceae на градиенте конкуренции за ресурсы экотопа конкурентоспособные формы выделяются в условиях смешанных агрофитоценозов, начиная с 4-6-го года пользования. Целью исследований было изучить содержание микроэлементов в листьях у потомства первого поколения и оценить индекс железа в качестве маркерного признака устойчивости агроценопопуляций M. varia Mart. на карбонатных почвах ЦЧР. В связи с тем, что на карбонатных почвах уровень содержания железа является одним из основных лимитирующих факторов. Высокие уровни содержания железа в тканях растений свидетельствуют об определенных конкурентных преимуществах, которые приобретает потомство, полученное в конкуренции, по сравнению с потомством одновидового посева. Индекс железа зависит от наследственных факторов, и у потомства, полученного в конкуренции, значительно выше, чем у потомства, полученного в одновидовых посевах. Поскольку железо в растениях практически не реутилизируется, то его высокое содержание в листьях потомства, полученного в конкуренции, может указывать на более эффективное поглощение элемента растениями в течение всего вегетационного периода, независимо от способа посева. Отбор по индексу железа может в дальнейшем обеспечить потомству конкурентные преимущества при выращивании в смешанных посевах на карбонатных почвах ЦЧР.
Fabaceae
Medicago varia Mart.
индекс железа
агроценопопуляции
карбонатные почвы
содержание микроэлементов
конкуренция
1. Думачева Е.В., Чернявских В.И. Почвенно-ризосферные взаимодействия некоторых видов Fabaceae при возделывании в культуре на карбонатных почвах // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 9 (часть 2). – С. 351–355.
2. Думачева Е.В., Чернявских В.И. Cеменная продуктивность разновозрастных посевов многолетних видов Fabaceae на черноземах карбонатных в условиях юга Среднерусской возвышенности // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 3; URL: www.science-education.ru/103-6384.
3. Лакин Г.Ф. Биометрия. – М.: Высш. школа, 1990. – 352 с.
4. Методические указания по проведению научных исследований на сенокосах и пастбищах. – М.: ВНИИ кормов им. В.Р. Вильямса, 1996. – 152 с.
5. Минько И.Ф., Буткевич Т.А., Кауров И.А. Минеральное питание и функциональная активность корневой системы. В: Физиология плодообразования. – Мн.: Наука и техника, 1989 – С. 51–70.
6. Островская Л.К. Железо в растительном мире и карбонатный хлороз. – Київ: Наукова думка, 1993. – 146 с.
7. Ткаченко И.К., Сурков Н.А., Чернявских В.И. и др. Селекция и семеноводство люцерны и других многолетних трав. – Белгород: Крестьянское дело, 2005. – 378 с.
8. Чернявских В.И., Думачева Е.В. Семенная продуктивность многолетних бобовых трав при выращивании в чистых и смешанных посевах на карбонатных почвах Белгородской области // Кормопроизводство. – 2012. – № 2. – С. 34–37.
9. Benitez M.L., Pedrajas V.M., Campillo M.C. del, Torrent J., Iron chlorosis in olive in relation to soil properties // Nutr. Cyc. Agroecosystems. – 2002. – vol. 62. – PP. 47–52.
10. Kosegarten H., Koyro H.-W. Apoplastic accumulation of iron in the epidermis of maize (Zea mays) roots grown in calcareous soil // Physiol. Plantarum. – 2001. – vol. 113. – PP. 515–522.
11. Pestana M., Faria E.A., Varennes A. de Lime-induced iron chlorosis in fruit trees. In: Production practices and quality assessment of food crops. 2. Plant mineral nutrition and pesticide management. Do drecht: Kluwer Acad. Publ., 2004. – PP. 171–215.

Особенности проявления того или иного типа адаптивных стратегий у видов Fabaceae в сложных условиях региона во многом зависят от почвенных особенностей. Физико-химические свойства карбонатных почв (рНKCl до 8,0, высокий окислительно-восстановительный потенциал, высокое содержание карбонатов и особенно их мелкой фракции, так называемой активной извести с диаметром частиц менее 20 мкм) определяют своеобразие поглощения и распределения в тканях растений многих элементов питания, влияя на развитие как подземной, так и надземной сферы [1]. В силу различного поведения минеральных веществ в карбонатных почвах (например, растворимость молибдена с подщелачиванием среды повышается, растворимость железа, меди, бора, напротив, уменьшается) нарушается баланс питания растений макро- и особенно микроэлементами. Из тяжелых металлов, необходимых растениям, из почвенного раствора на карбонатных почвах в первую очередь выводится железо. Ионы трехвалентного железа начинают осаждаться уже при рНKCl около 3,0 и полностью осаждаются при рНKC l= 3,4, ионы двухвалентного железа осаждаются при рНKCl = 7,0. На карбонатных почвах, рНKCl которых обычно выше 7,0, не только Fe3+ , но и Fe2+ становится практически недоступным, что вызывает у растений тяжелое функциональное заболевание – хлороз, следствием которого является резкое угнетение фотосинтетической деятельности растений, снижение продуктивности [6, 9, 11].

Дефицит железа на карбонатных почвах связывают как со снижением подвижности элемента из-за высокого уровня рН, так и с отрицательным влиянием бикарбонатов на транспорт железа из апопаласта корня в симпласт, а также по ксилеме [10]. Появлению дефицита способствуют тонкодисперсные фракции карбонатов, существенно влияющие на рН и концентрацию бикарбонатов [9].

В литературе широко обсуждается видовая и генотипическая эффективность растений при адаптации к дефициту железа, а также способы ее оценки [11]. Полагают, что рост и развитие представителей Fabaceae в большей мере коррелирует с балансом минеральных веществ в тканях, чем с их абсолютным содержанием [5]. Однако при обилии литературных сведений о минеральном составе Medicago varia Mart. отсутствует сравнительная оценка по этому показателю не только агроценозов в разных географических районах, но и в пределах одного региона. Представленные в отдельных работах корреляционные зависимости между показателями кормосеменной продуктивности и содержанием основных биогенных элементов в тканях указывают на возможную связь этих процессов у бобовых трав с проявлением адаптивных свойств в различных условиях экотопа [7].

Предыдущими исследованиями установлено, что в результате дифференциации популяций видов Fabaceae на градиенте конкуренции за ресурсы экотопа устойчивые конкурентоспособные формы выделяются, начиная с 4-5-го года пользования [1, 2, 8]. Целью исследований было изучить содержание микроэлементов в листьях у потомства первого поколения и оценить индекс железа в качестве признака устойчивости агроценопопуляций M. varia на карбонатных почвах ЦЧР.

Материалы и методы исследования

Двухфакторный полевой опыт по изучению содержания основных микроэлементов в листьях M. varia и их соотношения с уровнем железа проводили в 2008-2011 гг. Высевали семена, полученные от растений M. varia 5-6 года пользования, произраставших в условиях смешанного посева со злаковыми травами (популяция 1) и в чистом посеве без конкуренции (популяция 2). Исходным материалом служили сортопопуляции люцерны, ранее полученные в селекционном питомнике путем поликросса и переопыления [7]. M. varia выращивали в чистом виде и в составе злаково-бобовой травосмеси с компонентами: райграс пастбищный (Lolium perenne L.), овсяница красная (Festuca rubra L.), овсяница овечья (Festuca ovina L.). Почва – чернозем типичный карбонатный среднемощный малогумусный тяжелосуглинистый на элювии мела. Содержание гумуса перед закладкой опыта 3,12-3,56 %, рНKCl – 7,35-7,42. Способ посева – широкорядный с шириной междурядий 45 см. Площадь учетных делянок первого порядка – 20 м2, второго – 10 м2. Общая площадь делянок первого порядка – 50 м2, второго порядка – 25 м2. Повторность – 4-х кратная. Листья среднего яруса для химического анализа отбирали в период полного плодообразования M. varia. Разработан относительный показатель «индекс железа» для микроэлементов. Формула расчета индекса железа: А / В, где А – содержание железа (мг/кг абс. сух. в-ва), В – содержание микроэлементов (мг/ кг абс. сух. в-ва). Химический анализ листовой массы проводили по стандартным методикам в сертифицированной испытательной лаборатории БелГСХА им. В.Я. Горина. Наблюдения, учеты, химический анализ листовой массы и математическую обработку данных проводили по стандартным методикам [3, 4].

Результаты исследования и их обсуждение

На юге Среднерусской возвышенности высокая карбонатность почвы определяет не только сложный режим питания растений макроэлементами, но еще в большей степени микроэлементами. Важной особенностью действия всех микроэлементов является способность давать комплексные соединения с органическими веществами, при этом между собой они могут выступать как антагонисты. В опытах максимальным было содержание железа в листьях люцерны у агроценопопуляции ПК при всех способах посева (в среднем 405,7 против 233,5 мг/кг у ПБК) (табл. 1). В условиях смешанного посева уровень железа в листьях особей популяции 1 превышал соответствующий показатель у популяции 2 на 43,1 %, в одновидовом посеве – на 41,9 %. В условиях конкуренции содержание железа в листьях особей было выше, чем при их выращивании в одновидовых посевах. Низкий коэффициент вариации показателя указывает на однородность совокупности.

Содержание цинка и марганца в среднем имело слабую тенденцию к повышению в листьях особей популяции 1 по сравнению с популяцией 2. Внутри самих популяций прослеживался тренд повышения содержания цинка в одновидовых посевах по сравнению со смешанными: у популяции 1 на 18,2 %, у популяции 2 – на 8,2 %. Для марганца существенной разницы в содержании в зависимости от способа посева не обнаружено.

Уровень меди в листьях популяции 1 в среднем имел тренд в сторону снижения по сравнению с популяцией 2. При этом у обеих агроценопопуляций в условиях конкуренции содержание меди в листьях имело тенденцию к снижению по сравнению с одновидовыми посевами.

Таблица 1

Количество микроэлементов в листьях среднего яруса особей M. varia в период полного плодообразования (в среднем за 2009-2011 гг.)

Содержание, мг/кг

Популяция 1

Популяция 2

смешанный посев

Cv, %

одновидовой посев

Cv, %

смешанный посев

Cv, %

одновидовой посев

Cv, %

Железо

436,2 ± 6,1

1,7

375,2 ± 8,5

2,8

248,2 ± 7,3

3,6

218,7 ± 6,5

3,7

Цинк

22,0 ± 2,1

11,7

26,9 ± 4,6

19,3

22,4 ± 4,5

20,4

24,4 ± 4,7

19,6

Марганец

31,5 ± 1,3

5,2

31,3 ± 1,9

7,8

30,4 ± 1,4

5,9

30,8 ± 1,2

4,9

Медь

9,5 ± 0,8

11,4

9,7 ± 0,8

13,7

9,4 ± 1,4

15,2

10,2 ± 1,4

14,4

Примечание: Cv – коэффициент вариации показателя

У потомства, полученного в конкуренции, в отличие от потомства одновидового посева значительно возросло содержание железа, в то же время содержание цинка и марганца у особей повышалось незначительно, а уровень меди имел тренд в сторону снижения.

Поскольку на карбонатных почвах уровень железа в тканях определяет стабильность процессов роста и развития растений, то установленная зависимость позволяет считать потомство, полученное в конкуренции, более адаптированным к условиям экотопа, по сравнению с потомством одновидового посева.

Для выявления зависимости между содержанием железа и уровнем основных микроэлементов в тканях люцерны было рассчитано отношение содержания железа к содержанию основных микроэлементов в листьях («индекс железа»). Этот относительный показатель позволил сравнить уровни накопления минеральных веществ в условиях высокой карбонатности почвы. Были выявлены общие закономерности соотношения содержания железа и макроэлементов в листьях агроценопопуляций люцерны в зависимости от наследственных факторов и условий посева (табл. 2).

Таблица 2

Индекс железа в листьях среднего яруса особей M. varia в период полного плодообразования (в среднем за 2009-2011 гг.)

Потомство

(фактор А)

Способ посева (фактор В)

Индекс железа

Fe/Zn

Fe/Cu

Fe/Mn

Популяция 1

смешанный

19,9

46,0

13,9

одновидовой

13,9

38,7

12,0

в среднем

16,9

42,3

12,9

Популяция 2

смешанный

11,1

26,5

8,2

одновидовой

9,0

21,4

7,1

в среднем

10,0

24,0

7,6

НСР05

3,1

8,6

2,7

Анализ результатов указывает, что индекс железа у особей популяции 1 значительно превышал соответствующие показатели у популяции 2 как в среднем, так и по вариантам способов посева. При этом был выявлен тренд в сторону увеличения индекса железа в конкуренции по сравнению с одновидовыми посевами в обеих агроценопопуляциях.

На карбонатных почвах, где содержание железа выступает в качестве одного из основных лимитирующих факторов, установленная тенденция указывает на наличие у потомства, полученного в конкуренции, определенных эндогенных изменений, направленных на лучшую адаптацию к условиям экотопа и повышение экологической устойчивости в условиях высокой карбонатности почвы.

Результаты дисперсионного анализа двухфакторного опыта методом организованных повторений позволили выявить долю влияния изучаемых факторов на отношение содержания железа к микроэлементам. Доля участия фактора А, т.е. наследственных характеристик особей, была существенной и максимальной (62,3 – 91,5 %) для индекса железа по всем изученным микроэлементам. Влияние условий конкуренции, несмотря на невысокую долю участия в изменчивости показателей (6,5 – 20,1 %), было существенным для индекса железа цинка и меди, исключение составил марганец. Влияние взаимодействия факторов АВ было несущественным, а влияние неучтенных факторов не превышало 19,0 %.

Заключение

Таким образом, на карбонатных почвах уровень содержания железа является одним из основных лимитирующих факторов. Высокие уровни содержания железа в тканях растений популяции 1 на карбонатных почвах свидетельствуют об определенных конкурентных преимуществах, которые приобретает потомство, полученное в конкуренции, по сравнению с потомством одновидового посева.

Индекс железа зависит от наследственных факторов, и у потомства, полученного в конкуренции, значительно выше, чем у потомства, полученного в одновидовых посевах. Поскольку железо в растениях практически не реутилизируется, то его высокое содержание в листьях потомства, полученного в конкуренции, может указывать на более эффективное поглощение элемента растениями в течение всего вегетационного периода, независимо от способа посева. Отбор по индексу железа может в дальнейшем обеспечить потомству конкурентные преимущества при выращивании в смешанных посевах на карбонатных почвах ЦЧР.

Рецензенты:

Сорокопудов В.Н., д.с.-х.н., профессор ФГОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет», г. Белгород;

Сорокопудова О.А., д.с.-х.н., профессор, профессор биолого-химического факультета ФГОУ ВПО «Белгородский государственный национальный исследовательский университет», г. Белгород.

Работа поступила в редакцию 24.06.2014.


Библиографическая ссылка

Думачева Е.В., Чернявских В.И. ИНДЕКС ЖЕЛЕЗА КАК ПОКАЗАТЕЛЬ УСТОЙЧИВОСТИ ПОПУЛЯЦИЙ MEDICAGO VARIA MART. НА КАРБОНАТНЫХ ПОЧВАХ // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9-3. – С. 571-574;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=34889 (дата обращения: 20.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074