Эколого-биологические особенности Fragaria × ananassa Duch. в условиях Севера: на примере Мурманской области тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.02.01, кандидат биологических наук Мартынова, Алла Александровна

• Мартынова, Алла Александровна
• кандидат биологических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат биологических наук Мартынова, Алла Александровна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Литературный обзор

1Л. Исторические сведения о распространении земляники в различных климатогеографических условиях

1.2. Биологические особенности земляники садовой

1.3. Понятие экологической устойчивости 1 ^

1.4. Экологическая устойчивость и пластичность земляники

1.5. Экологические факторы среды ^

1.5.1. Влияние абиотических факторов на землянику садовую

1.5.2. Воздействие биотических факторов на землянику ^ садовую

ГЛАВА 2. Материал и методы исследования

2.1. Объекты исследования

2.2. Методы исследования

ГЛАВА 3. Результаты и обсуждение

3.1. Влияние абиотических факторов на биологические свойства земляники садовой

3.1.1. Влияние климатических условий на онтогенетические особенности земляники

3.1.2. Влияние климатических условий на фенологические фазы развития земляники

3.1.3. Влияние климатических условий на зимостойкость земляники

3.1.4. Влияние климатических условий на продуктивность земляники

3.1.5. Влияние климатических условий на химический состав плодов земляники

3.1.6. Влияние техногенных и природных радионуклидов на биологические свойства земляники

3.2. Влияние биотических факторов на землянику садовую

3.3. Экологическая устойчивость земляники садовой в

Мурманской области ВЫВОДЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эколого-биологические особенности Fragaria × ananassa Duch. в условиях Севера: на примере Мурманской области»

Земляника садовая Fragaria х ananassa Duch. является одной из наиболее ценных и востребованных плодовых культур, эколого-биологические особенности которой широко варьируют в зависимости от окружающей среды. Эта культура широко распространена в средних широтах Евразии и Америке, (Jones, 1966; Lewin, 1994; Витковский, 2003). Такой размах ареалов распространения обусловлен высокой пластичностью биологических признаков в пределах вида, способствующих адаптации растений к разнообразным экологическим условиям и, в частности, к почвенно-климатическим особенностям (Жученко, 2001, 2005). Однако, несмотря на достаточную изученность характера адаптации земляники садовой в различных климатогеографических условиях, комплексных и систематических исследований эколого-биологических особенностей Fragaria х ananassa Duch. в условиях высоких широт не проводилось.

Вместе с тем, условия Севера и, в особенности, Мурманской области, отличаются исключительно контрастными метеорологическими условиями, обусловленными не только широтными факторами среды, но также и локальными неоднородностями природного ландшафта. Дополнительный вклад в экологические особенности среды в Мурманском регионе привносят радионуклиды естественного и техногенного происхождения. По данным Комитета природопользования и экологии Мурманской области, основными факторами облучения населения Заполярья являются естественные источники радиоактивности (73.62%), которые попадают в среду в результате процессов эрозии горных пород, а также при добыче огромных объемов апатитонефелиновых руд. Так, вследствие ветрового переноса пыли, содержащей радионуклиды, в Кировске-Апатитах существенный вклад в загрязнение природной среды вносят редкоземельные элементы, такие как Sr, Be, La, Y, U, Th (Состояние природной среды и проблемы экологии на Кольском полуострове, 1999; Мельник, Райских, 2008; 2010). Присутствие радионуклидов в окружающей среде, как экологически значимых факторов, диктует необходимость не только оценки степени их накопления в земляники садовой как продукте питания, но также и анализе воздействия радионуклидов на биологические особенности земляники, произрастающей в Мурманской области.

С учетом сложного и комплексного воздействия экологических факторов среды в Мурманском регионе, исследование эколого-биологических особенностей Fragaria х ananassa Duch. в условиях Севера на примере Мурманской области имеет важное прикладное и теоретическое значение.

Цель работы.

Дать эколого-биологическую характеристику сортов Fragaria х ananassa и оценить влияние абиотических и биотических факторов среды на биологические свойства и экологическую устойчивость земляники садовой в условиях Мурманской области. Задачи исследования:

1. Выявить биологические особенности различных сортов земляники садовой в условиях Севера.

2. Оценить влияние абиотических факторов среды, включая климатические вариации, природные и техногенные радионуклиды, на биологические свойства различных сортов земляники садовой.

3. Выявить влияние биотических факторов, таких как болезни и вредители, на различные сорта земляники садовой.

4. Найти основные критерии экологической устойчивости земляники садовой в условиях Мурманской области.

5. Охарактеризовать на основе комплексной оценки биологических свойств и экологической устойчивости перспективные сорта земляники садовой для ее эффективной интродукции в Мурманской области.

Научная новизна.

Впервые проведено комплексное изучение эколого-биологических особенностей различных сортов земляники садовой в условиях Мурманской области. Выявлены основные абиотические и биотические факторы среды, влияющие на распространение земляники садовой в высоких широтах. Установлены сроки сезонного развития растений земляники садовой для Мурманской области в зависимости от воздействия суммы активных и эффективных температур. Впервые показано, что экологическая устойчивость, оцененная по критерию зимостойкости и устойчивости к биотическим факторам среды, является ведущей характеристикой, определяющей успешность интродукции земляники садовой в Мурманской области. Впервые, с применением комплексной оценки биологических свойств и экологической устойчивости, охарактеризованы перспективные сорта для интродукции в северных широтах.

Практическая и теоретическая значимость.

Результаты проведенного исследования позволяют прогнозировать степень устойчивости земляники в зависимости от варьирующих условий среды, что, в свою очередь, дает возможность отбирать наиболее адаптивные сорта растений для интродукции в Мурманской области и Северных регионах.

Данные по накоплению радионуклидов различными частями растений земляники позволяют рассматривать землянику в качестве потенциального биоиндикатора степени загрязнения окружающей среды, пригодного для экологического и радиационного мониторинга.

Фундаментальное значение проведенных исследований состоит в выявлении широтных особенностей адаптации растений земляники садовой в зависимости от глобальных климатогеографических воздействий и локальных вариаций условий среды. Представленные в работе результаты позволяют прогнозировать экологическую устойчивость растений в зависимости от варьирующих факторов среды абиотического и биотического происхождения.

Полученные результаты могут быть использованы в учебном процессе в курсах лекций по ботанике, экологии, в мониторинге окружающей среды, в селекционной практике.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 10 работ: 3 статьи, в том числе 1 статья в изданиях из перечня ВАК РФ, и 7 тезисов конференций.

Апробация работы

Основные результаты представлены и обсуждены на Международной научно - практической конференции «Современные проблемы фитодизайна», Белгород, 2007, Всероссийской научно-методической конференции молодых ученых «Актуальные проблемы садоводства России и пути их решения » (Орел,

2007), Международной научной конференции «Интродукция и перспективы использования генетических ресурсов растений на Крайнем Севере» (Апатиты,

2008), Всероссийской научной конференция с международным участием «Экологические проблемы Северных регионов и пути их решения» (Апатиты, 2008), Международной научной конференции «Физико-химические механизмы адаптации растений к антропогенному загрязнению в условиях Крайнего Севера» (Апатиты, 2009 г), на VI съезде по радиационным исследованиям (радиобиология, радиоэкология, радиационная безопасность) (Москва, 2010 Москва).

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов, заключения и содержит 27 рисунков, 26 таблиц, 7 приложений. Общий объем работы - 126 страниц. В списке литературы - 215 источников, в т.ч. 32 на иностранном языке.

Заключение диссертации по теме «Ботаника», Мартынова, Алла Александровна

выводы

1. Ведущими экологическими факторами, оказывающими влияние на онтогенез, продуктивность, химический состав плодов земляники садовой на Севере являются климатические вариации, среди которых суммы эффективных и активных температур определяют сроки наступления цветения и созревания, соответственно. Оптимальное сочетание сроков начала цветения и созревания плодов может служить одним из важных критериев отбора растений для интродукции на Севере.

2. Основными абиотическими факторами, отрицательно влияющими на биологические свойства (в частности, на зимостойкость) растений земляники, являются: продолжительность пребывания под снегом и температура под снегом в зоне расположения укороченных побегов, низкие осенние температуры при отсутствии снежного покрова. Радионуклиды влияют на биологические свойства земляники садовой, однако однозначно оценить их воздействие на степень экологической устойчивости не представляется возможным.

3. Устойчивость растений к биотическим факторам определяется возрастными особенностями, генотипом, предрасполагающим к болезням воздействием абиотических факторов, которые, с одной стороны, могут снижать устойчивость растений, с другой стороны, способствовать размножению патогенов. Основными абиотическими факторами, влияющими на развитие грибных заболеваний земляники, являются относительная влажность воздуха (для серой гнили, бурой и угловатой пятнистости листьев) и температура воздуха (для белой пятнистости листьев).

4. В северных широтах и, в частности, в Мурманской области, экологическая устойчивость растений, определяемая сочетанием сроков начала цветения и началом созревания плодов, зимостойкостью и устойчивостью к патогенам является основным критерием эффективности интродукции земляники садовой. Дополнительным критерием для отбора является продуктивность, на которую следует ориентироваться при выборе интродуцентов в границах экологической устойчивости сорта. 5. На основании найденных критериев экологической устойчивости, а также продуктивности, выделены сорта земляники садовой рекомендуемые для введения в культуру: Кубенская, Kurzemniece, Beaver Ruby, Хибинская Красавица, Junija Smaids и гибрид 632-2.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведено изучение эколого-биологических особенностей Fragaria х ananassa в условиях Севера на примере Мурманской области. В результате исследований дана эколого-биологическая характеристика 3-м группам растений, включающим 37 сортов земляники садовой различного эколого-географического происхождения, 6 одичавших сортов земляники и 6 гибридов. Выявлено влияние абиотических и биотических факторов среды на землянику садовую были найдены критерии экологической устойчивости.

Было показано, что онтогентические особенности растения земляники зависят от климатических условий и практически полностью подчиняются температурному режиму. Наступление основных фенологических фаз развития растений земляники определяется суммой активных и эффективных температур, вклады которых в инициацию фаз цветения и созревания плодов неравнозначны: для наступления фазы цветения наиболее важным является сумма эффективных температур, а наступление сроков созревания плодов определяется суммой активных температур. Основные абиотические факторы среды, влияющие на зимостойкость растений, включили продолжительность пребывания растений под снегом, положительные температуры под снегом на уровне залегания укороченных побегов и низкие отрицательные температуры в осенний период при отсутствии снежного покрова.

Проведенные исследования показали, что в условиях Севера реализация потенциальной продуктивности у земляники садовой довольно низкая и не превышает в среднем 38.7%. Вместе с тем, качество плодов, оцененное по содержанию Сахаров, кислотности, сухому веществу, аскорбиновой кислоты и сахаро-кислотному коэффициенту свидетельствует о том, что плоды земляники в высоких широтах отличаются большим содержанием Сахаров, более высоким содержанием аскорбиновой кислоты и более высокими показателями сахаро-кислотного коэффициента, чем в районах средних широт, что, вероятно, отражает адаптивные реакции растений к низко температурному режиму.

Впервые показано, что земляника садовая обладает высоким потенциалом для сорбции радионуклидов из окружающей среды, которые неравномерно аккумулируются в растениях, содержатся преимущественно, в пролиферирующих частях растений и могут оказывать влияние на устойчивость земляники к воздействию абиотических и биотических факторов среды, о чем косвенно свидетельствуют значимые связи между содержанием радионуклидов и химическим составом плодов земляники. Повышение содержания 137Cs, 214Pb, 232Th, 40К, накопление которых в отдельных органах растений сопряжено с возрастанием содержания Сахаров в

214™ 226т-. 232т-1 40tv плодах и, в случае накопления Pb, Ra, Th и К, с повышением массы сухого вещества, могло бы способствовать (в определенных дозах) повышению экологической устойчивости растения земляники. Эффекты воздействия Ве на химический состав плодов имеют альтернативный характер и, возможно, снижают жизнеспособность растений.

Устойчивость земляники садовой к биотическим факторам обусловлена, в основном, возрастными особенностями и генотипом, но определенный вклад в развитие и распространение грибных заболеваний земляники вносят абиотические факторы среды, такие как температура и влажность воздуха.

Проведенные исследования позволили выявить критерии для характеристики экологической устойчивости растения земляники, на основе формализации ее эколого-биологических особенностей. Применение бальной системы оценки степени устойчивости земляники к абиотическим и биотическим факторам среды показало, что наиболее адекватными критериями экологической устойчивости являются зимостойкость и устойчивость к болезням и вредителям. Оценка этих показателей в баллах позволяет сравнивать между собой сорта по степени экологической устойчивости и отбирать оптимальные варианты для интродукции на Севере.

Практичекое приложение проведенных исследований состоит в обнаружении основных критериев отбора сортов земляники садовой для интродукции в Мурманской области, которыми являются экологическая устойчивость и продуктивность. Несмотря на низкую продуктивность земляники садовой в северных условиях, из числа изученных групп растений выделено 6 сортов с определенными генотипами, детерминирующими относительно высокую продуктивность в условиях Севера.

Таким образом, в работе представлены результаты исследований, в которых впервые отражены эколого-биологические особенности различных сортов земляники садовой в Мурманской области, выявлены основные абиотические и биотические факторы среды, оказывающие влияние на распространение земляники в высоких широтах и охарактеризованы сорта с определенными генотипами, позволяющими интродуцировать эти растения в Мурманской области, а также в условиях Севера. им и) ю

VI ю о им и) о X ю ^м X ю о X X о X им X ил о X ю им X ю о X X о X им X и) X ы им X Ю о X X о X им X X

4^ и!

4^ оо

4^ ил

4^ О

О 4^

О иЛ

00 ил о со со ю о ил ю

00

Высота снежного покрова, см оо ил го О им I оо I ил чо

0\ I О

4^ I о

С?\

4^ I I оо оо I и)

4^ ил ю ы

Мт. на поверхности почвы (снега)°С I

4^ оо I О I им ил

4^ I

4^ I им чо I ю

--4 I оо оо I о и) ил Ы м

Температура на уровне залегания рожков земляники,°С оо & нн о о н рэ о я

Л) *

ЕС О я о я

Т5 О р к н

Л) 2 Я

О со О н оо V: -I ъ я о ь о * я о р ю о

0 им 1

00 о им

4^ чо

4^ М ил им Ю

00 им

0\ чо им им О

Высота снежного покрова, см ил I

4^ I

О оо I ил оо I ил ил ил О им О ю со I ю м I I ил О оо ю I

О ил ю I им ю чо

4^ им

Мт. на поверхности почвы (снега)°С

С\

С\ 1 оо им им I им им

0\ I О ю м I

00 ю о I ю о I ил ю чо им

Температура на уровне залегания рожков земляники,°С а

Я о

О я со щ ж р о и Я <Т>

00

0) ч рз Я

Я »

4^ 00 I О

4^ ОО I чо

4^ ил Ы ил I ил ил 4^ чо

Ю 00 I оо ю ил м

00 О о

О ил ю о ю О

00

С\ I им чо о\

Оч ы I ил ю им I оо ю чо

00 I О о

Высота снежного покрова, см м ил О ю ил ил

Мт. на поверхности почвы (снега)°С ил ю О I

4^ I

4^

4^ ил

4^ им ил I им I н— о ил ил I ил I ы I им им I ы

Температура на уровне залегания рожков земляники,°С а

43 Я Й О

О)

Я Я ев

15.11. 47 -25 -3 70 -32,5 -5 54 -20 -8

20.11. 51 -13 -3 64 -28 -5 57 -12 -5

25.11. 50 -22 -3 62 -26 -3 62 -26 -6

1.Ш. 52 -26 -9 66 -21 -5 68 -34 -9

5.III. 52 -30 -10 67 -23 -5 68 -13 -3

ЮЛИ. 55 -30 -5 75 -4 0 67 -10 0

15.111. 58 -30 -1 75 -7 0 68 -27 -1

20.111. 56 -25 0 81 -4 0 68 -25 0

25.111. 60 -15 -3 86 -10 5 73 -24 0

31.111. 50 -23 -3 75 -14 5 65 0 3

5.IV. 58 -23 0 79 -5 5 54 -10 2

10.IV. 50 -5 3 80 -28 0 61 -13 2

15.IV. 47 -7 2 72 -3 5 71 -8 4

20.IV. 40 -1 5 57 -7 2 65 -12 2

25.IV. 30 -2 7 47 -4 0 58 -7 5

30.IV. 23 -11 3 48 -8 0 43 0 6

5.У. 5 -2 -1 40 -11 2 14 -2 5

Ю.У. 2 -1 -1 26 0 3 7 0 3

15.У. 0 0 -1 12 0 2 8 -2 3

20.V. 0 0 1 0 4 4 0 -1 1

Продолжительность нахождения под снегом, дней 160 209 195

В том числе, с температурой выше +5°С, дней 10 15 10