Технология ускоренного размножения, повышения качества и лежкости клубней картофеля

Размещено на http://www.allbest.ru

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора сельскохозяйственных наук

ТЕХНОЛОГИЯ УСКОРЕННОГО РАЗМНОЖЕНИЯ, ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА И ЛЕЖКОСТИ КЛУБНЕЙ КАРТОФЕЛЯ

Специальность 06.01.09 - растениеводство

СЕМЧУК Николай Николаевич

Тюмень 2009

Работа выполнена в институте сельского хозяйства и природных ресурсов Новгородского государственного университета имени Ярослава Мудрого

Научный консультант:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Шишов Анатолий Дмитриевич

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Логинов Юрий Павлович

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Кокшаров Владимир Павлович

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Немченко Владимир Васильевич

Ведущая организация:

ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменской государственной сельскохозяйственной академии.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат с.-х. наук ________________________ Рзаева В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Технология возделывания картофеля представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных и взаимообусловленных процессов, каждый из которых может оказать существенное влияние на конечный результат.

Ускоренное размножение семенного материала является важным звеном в картофелеводстве на всех этапах - создании нового сорта, проведении сортоиспытания, а также поддержании высоких сортовых и семенных качеств непосредственно в процессе производства продукции. Современные технологии позволяют получать посадочный материал, освобожденный от инфекций целого спектра патогенных микроорганизмов. Большой проблемой в настоящее время является ускоренное размножение оздоровленного исходного материала.

Потери продукции при хранении картофеля обусловлены многочисленными факторами, совокупность которых можно объединить в 2 основные группы: клубень картофель урожайность лежкость

1) лежкоспособность клубней картофеля;

2) условия хранения.

Влияние условий хранения на конечные результаты изучено достаточно глубоко. Имеются многочисленные исследования по температурному режиму, регулируемой газовой среде, влажности воздуха и другим факторам внешней среды, а также их сочетанию с учетом сортовых требований картофеля.

Гораздо менее разработанной является проблема формирования и повышения лежкоспособности картофеля. Актуальность изучения факторов, влияющих на способность клубней к длительному хранению, заключается не только в том, что от них прямо зависит количество потерь при хранении. Немаловажным является и тот факт, что приемы, повышающие лежкоспособность клубней, в значительной степени сказываются и на качестве продукции.

Актуальным также является вопрос травмируемости клубней в процессе уборки, транспортировки и закладке на хранение. Поврежденные клубни не только обладают низкой лежкоспособностью, но также теряют потребительскую стоимость вследствие пониженного качества.

Цель работы. Изучение влияния наследственных свойств клубней, а также экзогенных факторов, на физиологические особенности метаболизма во время роста и созревания растений, формирования лежкоспособности клубней, а также в процессе хранения и прорастания клубней.

Задачи исследований: разработать способы ускоренного размножения на основе использования свойств апикальной и латеральной меристем побегов второго и последующих порядков; изучить возможность повышения урожайности, качества и лежкоспособности клубней картофеля во время вегетации за счет ускорения процессов метаболизма и сокращения сроков созревания растений; разработать систему механизмов, позволяющих снизить повреждаемость клубней картофеля в процессе послеуборочной доработки и закладке на хранение; определить возможность использования безвредных веществ для подавления жизнедеятельности патогенной микрофлоры в процессе хранения.

Научная новизна. Впервые в условиях Северо-запада разработан способ управления процессами роста верхушечных и боковых меристематических тканей этиолированного побега при прорастании клубня картофеля. На основе изучения возможности трансформации кинетической энергии при взаимодействии механизмов с клубнями разработаны способы, позволяющие снизить величину момента силы воздействия поверхности рабочих органов на пограничные и основные ткани клубня картофеля в технологическом процессе перегрузки и закладки картофеля на хранение. Разработана система механизмов, позволяющая уменьшить травмируемость клубней картофеля при загрузке в емкости различных параметров и закладке на хранение. Установлен феномен синергизма ионов натрия, калия и йода при обработке клубней картофеля перед закладкой на хранение растворами физиологически активных веществ. Испытано и запатентовано экологически безопасное средство для защиты клубней картофеля от патогенной микрофлоры во время длительного хранения.

Положения, выносимые на защиту:

1. Способ ускоренного размножения клубней картофеля.

2. Оптимизация технологии сеникации растений картофеля перед уборкой.

3. Способы и устройства для снижения повреждаемости клубней при закладке на хранение.

4. Обработка продовольственных клубней раствором пищевого антисептика для снижения потерь при хранении.

Теоретическая ценность работы. В работе показаны возможности управления процессами жизнедеятельности апикальной и латеральной меристем, на основании чего разработан способ ускоренного размножения клубней картофеля с использованием микроспорофита, на который выдан патент Российской Федерации;

Разработаны модели взаимодействия клубня картофеля как физического тела и биологического объекта с твердой и газообразной средой, позволяющие снизить интенсивность ударных характеристик в момент контакта. На основании данных разработок запатентовано 2 способа и 8 устройств для механизации процессов перегрузки, затаривания и закладки на хранение клубней, позволяющих существенно снизить количество механических повреждений.

Дано теоретическое обоснование динамики лежкоспособности клубня картофеля в процессе его органогенеза. Показано влияние различных факторов на способность клубня к длительному хранению без существенного снижения потребительских качеств;

Практическая значимость результатов исследований. Оптимизирована технология сеникации растений картофеля для проведения предуборочной обработки. Агротехнический прием ускоряет созревание клубней, повышает урожайность и увеличивает коэффициент размножения на семенных участках. Повышается выход товарных клубней продовольственного картофеля, увеличивается сбор крахмала с гектара. Изготовлены чертежи и создана работающая модель устройства для заполнения бункера-накопителя. Разработан, изготовлен и испытан в производстве загрузочный комплекс высокой производительности для механизации процесса перегрузки и затаривания клубней в контейнеры на крупных плодоовощных базах. Достигнута устойчивая эффективность при использовании раствора хлорида натрия йодированного для обработки клубней перед закладкой на хранение.

Апробация. Работы по изучению процессов хранения клубней картофеля, технологии возделывания растений, и возможности оптимизации важнейших ее элементов проводились в течение 19 лет (1982-1997, 2000-2003 гг.). За это время апробация работы осуществлялась на заседаниях ученого совета Новгородского педагогического института (Новгород), Украинской сельскохозяйственной академии (Киев), Института сельского хозяйства и природных ресурсов Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого (Великий Новгород), кафедры технологии хранения и переработки сельскохозяйственной продукции Санкт-Петербургского государственного аграрного университета (Пушкин), научных конференциях: «Охрана и рациональное использование природных ресурсов Новгородской области» (Новгород, 1983); «Вопросы теории и практики охраны и рационального использования природы Новгородской и прилегающих областей» (Новгород, 1990); «Биология и экология в системе современного педагогического образования», межвузовская научно-практическая конференция (1994 г., СПб.: Ставpополь); «Экологические аспекты устойчивого развития регионов», международная конференция (Новгород, 1995); “Экология и жизнь - 2000”, международная конференция (Великий Новгород, 2000) и др.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 73 работы, в том числе получено 14 авторских свидетельств и патентов на изобретения.

Объем и структура работы. Работа изложена на 299 страницах компьютерного текста. Состоит из введения, 7 глав, выводов и предложений производству. Содержит 31 таблицу, 87 рисунков. Список использованной литературы включает 578 источников, из них 115 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Состояние изученности проблемы

В главе представлен обзор литературы из отечественных и зарубежных источников по вопросам особенности биологии растений картофеля, существующим способам ускоренного размножения, приемам снижения повреждаемости клубней в процессе уборки, закладки на хранение, возможностям снижения потерь клубней при хранении.

2. Условия и методика проведения исследований

Экспериментальную работу по теме диссертации проводили в лаборатории экспериментальной ботаники НГПИ, на установках СВЧ научной лаборатории НПИ, в ЗАО «Савино» Новгородского района, Новгородской плодоовощной базе. Опыты по исследованию лежкоспособности клубней картофеля проводили в картофелехранилище закромного типа с активным вентилированием ЗАО «Савино» Новгородского района, картофелехранилище контейнерного типа с принудительным вентилированием Новгородской плодоовощной базы, в камерах с принудительным вентилированием и регулируемым охлаждением научно-исследовательской лаборатории экспериментальной ботаники НГПИ. Вес образцов 6-8 кг, повторность 6 кратная. Температура в основной период хранения 3-4 єС, влажность воздуха в пределах 85-95%. Использовали установки с контактными электротермометрами, терморегуляторы РТ-2 и модифицированные терморегуляторы РТ-1. Для регуляции режима влажности в опытах с восстановлением качества клубней после снятия с хранения использовали установки для поддержания режима влажности в пределах заданных параметров. Режимы влажности и температуры контролировали с помощью недельных термографов и гигрографов. Контроль работы аппаратуры осуществляли посредством прибора-индикатора отметчиков времени. В качестве объектов исследований использовали клубни сортов Гатчинский и Невский.

В полевых опытах повторность 3-8 кратная. Площадь делянки 200 кв. м., учетная площадь 100 кв. м.

Опрыскивание посадок картофеля во время предуборочной обработки проводили переносным наземным опрыскивателем. Производственные испытания по сеникации картофеля проводили с использованием навесного штангового опрыскивателя. Во время вегетации растений проводили биометрические замеры: высоту ботвы, количество и массу клубней, массу надземной части растений, прочность прикрепления клубней к столонам. Прочность перидермы определяли на приборе конструкции Н.Н.Семчука и В.Ф. Савченко. Повреждаемость клубней после уборки определяли по методике ВАСХНИЛ (1973) с модификацией на предмет интенсивности повреждения перидермы. Закладку образцов на хранение и оценку результатов хранения по величине убыли массы и отходов проводили в соответствии с методическими указаниями "Проведение исследований по хранению картофеля" (ВАСХНИЛ, 1973). Образование раневой перидермы оценивали методом микроскопирования и определения синтеза суберина посредством окрашивания срезов в растворе Судана-III. Сухое вещество определяли методом высушивания проб в сушильном шкафу при температуре 100-105 єС. Кроме того, для определения сухого вещества использовали весовой метод по удельной массе клубней. Крахмал - поляриметрическим методом по Эверсу.

3. Оптимизация технологии ускоренного размножения клубней

Морфология и архитектоника клубня картофеля. Одним из основных направлений в получении высококачественного посадочного материала является метод культуры in-vitro, или культуры меристем. Он позволяет освободиться от патогенных вирусов, поражающих растения картофеля, получать клубни, свободные от вироидов, бактерий и грибов.

Однако технология получения семенного материала на безвирусной основе технологически сложна. Достаточно сказать, что выход регенератов из вычлененных меристем колеблется от 5,5 до 25,7%. Сам процесс получения оздоровленных растений из апикальной меристемы занимает длительное время. Многие авторы указывают на необходимость поиска способов ускоренного размножения оздоровленного материала за счет размножения частями ростков, клубней, растений, продуцирования нескольких урожаев в год.

Стимуляция ростовой активности и блокировка эффекта доминирования апикальной меристемы. Для изучения физиологических особенностей различных частей клубня, а также возможности управления процессами формирования ростков и побегообразования при его прорастании нами в течение шести лет (1992-1997 гг.) была проведена серия опытов с использованием механической обработки клубней и последующей яровизацией перед посадкой, а также вершкованием ростков для разработки способа управления процессом ветвления побегов первого порядка в узлах базальной его части.

*пояснения по вариантам см. рис. 1.

Меньше контрольного коэффициент размножения отмечен в четырех вариантах - с посадкой верхней половины клубня (5,8), нижней половины клубня (3,1), с вертикальным разрезом клубня вдоль оси (4,0) и удалением апекса клубня (4,8).

Рис. 1. Влияние предпосадочной подготовки клубней на коэффициент размножения у картофеля сорта Невский, среднее за 3 года (1992-1994)

Варианты: 1. Контроль. 2. Верхняя + нижняя половины клубня. 3. Сумма двух половин клубня (вертикальный разрез). 4. Крестообразный надрез апекса клубня. 5. Поперечный надрез клубня. 6. Два разноуровневых поперечных надреза. 7. Кольцевание (поперечный надрез на глубину 10 мм по периметру клубня). 8. Удаление апекса.

Максимальный коэффициент размножения (13,9) был получен в варианте с поперечным надрезом маточного клубня. В остальных вариантах с применением стимулирующих надрезов он был примерно одинаков: два поперечных надреза - 13,4; кольцевание - 13,3; надрез апекса - 13,1.

Расчет потенциальных возможностей показал, что в двух вариантах (с вертикальным разрезом клубня вдоль оси и удалением апекса клубня) коэффициент размножения оказался ниже, чем на контроле (8,0 и 4,8 соответственно).

В варианте с разнокачественными частями клубня (верхняя и нижняя половины) суммарный коэффициент размножения (8,9) ненамного превысил контроль (8,5).

Управление процессом ветвления побегов первого поколения. Для изучения возможности повышения коэффициента размножения клубней за счет увеличения количества побегов у растения картофеля в 1995-1997 гг. было проведено исследование, для которого отобраны варианты предыдущего опыта с повышенной энергия побегообразования.

В качестве контроля использовались клубни без обработки. Был также включен вариант с удалением апексов у ростков первого порядка на клубнях без какой-либо обработки.

Удаление апексов оказало сильный стимулирующий эффект на процесс ветвления ростков. Боковые побеги формировались на 1-4-м нижних узлах ростка. Уже на третий день отмечено увеличение боковых почек в узлах базовых ростков. Через неделю длина боковых ростков достигла 5-25 мм.

Кроме боковых ростков на некоторых срезах после удаления апексов образовались бугорки каллюса, из которых начали формироваться конечные почки, превращавшиеся далее в побеги продолжения.

Максимальная прибавка (41%) была получена в варианте с двумя разноуровневыми надрезами, минимальная (27%) - в варианте с вершкованием базовых ростков без проведения стимулирующих надрезов. Увеличение количества стеблей в вариантах с вершкованием ростков сказалось также и на качестве урожая: количестве клубней и средней массе клубней и структуре урожая (рис. 2).

Количество клубней в урожае растений по всем испытываемым вариантам увеличилось по сравнению с контролем в 1,86-2,53 раза. Максимальное увеличение (на 152,7%) отмечено в варианте с двойным разноуровневым надрезом клубня. В вариантах 3-6 с проведением стимулирующих надрезов клубней увеличение составило 134-139%.

Максимальное увеличение коэффициента размножения (до 1:23,5 против 1:9,3 на контроле) было достигнуто в варианте с двумя разноуровневыми надрезами клубня и последующим удалением апексов (рис. 3). В остальных вариантах с проведением стимулирующих надрезов коэффициент размножения был примерно одинаковым (1:21,8 - 1:22,3).

Меньше контрольного коэффициент размножения отмечен в четырех вариантах - с посадкой верхней половины клубня (5,8), нижней половины клубня (3,1), с вертикальным разрезом клубня вдоль оси (4,0) и удалением апекса клубня (4,8).

Рис. 2. Влияние удаления апексов у ростков первого поколения на структуру урожая (по массе) у картофеля сорта Невский, среднее за 3 года (1995-1997)

Рис. 3. Влияние удаления апексов у ростков первого поколения на коэффициент размножения картофеля сорта Невский, среднее за 3 года (1995-1997)

Варианты: 1. Контроль. 2. Удаление апексов у ростков. 3. Крестообразный надрез клубня + удаление апексов у ростков. 4. Два разноуровневых поперечных надреза + удаление апексов у ростков. 5. Поперечный надрез клубня + удаление апексов у ростков. 6. Кольцевание + удаление апексов у ростков.

Во всех вариантах с применением стимулирующих надрезов отмечено увеличение коэффициента размножения на 4,6-5,4 относительно контроля. Максимальный коэффициент размножения (13,9) был получен в варианте с поперечным надрезом маточного клубня. В остальных вариантах с применением стимулирующих надрезов он был примерно одинаков: два поперечных надреза - 13,4; кольцевание - 13,3; надрез апекса - 13,1.

Расчет потенциальных возможностей показал, что в двух вариантах (с вертикальным разрезом клубня вдоль оси и удалением апекса клубня) коэффициент размножения оказался ниже, чем на контроле (8,0 и 4,8 соответственно). В варианте с разнокачественными частями клубня (верхняя и нижняя половины) суммарный коэффициент размножения (8,9) ненамного превысил контроль (8,5).

Использование микроспорофита в качестве единицы размножения. Потенциальные возможности вегетативного способа размножения клубней практически безграничны и лимитируются лишь факторами времени и возможностями материальной базы для процессов регенерации растений из частей клубня или побега, укоренения имплантантов в субстрате и вегетации полученных организмов при формировании нового урожая.

За счет воздействия на клубни и ростки экзогенными факторами внутренний потенциал меристематических тканей используется в малой степени, что позволяет добиться увеличения коэффициента размножения в несколько раз.

Для изучения возможности укоренения непосредственно в субстрате элементов морфологии клубня, обладающих малой массой и размерами, в 2000-2003 гг. нами были проведены опыты с апексами, протоспорофитами и микроспорофитами.

В качестве контроля использовали этиолированные ростки длиной 15-20 мм, у которых были сформированы корешки длиной 2-5 мм и более. Во втором варианте этиолированные ростки без корешков имели такую же длину (15-20 мм), корневые бугорки отсутствовали. Для получения апексов срезали верхушки этиолированных ростков длиной 4-5 мм и массой 0,03-0,09 г.

Протоспорофит получали путем отчуждения зачатка бокового этиолированного побега с участком покровных тканей и основной паренхимы коры этиолированного побега предыдущего порядка. На протоспорофите отсутствовали корешки или корневые бугорки. Масса протоспорофита составляла 0,05-0,20 г.

Микроспорофит, так же как и протоспорофит, получали посредством отчуждения зачатка бокового этиолированного побега с участком покровных тканей и основной паренхимы коры этиолированного побега предыдущего порядка. Масса микроспорофита 0,09-0,30 г. В отличие от протоспорофита каждый микроспорофит имел от 1 до 5 и более корешков длиной от 1 до 3 мм. По количеству корешков все микроспорофиты классифицировали на 5 групп, которые исследовали в качестве вариантов опыта.

Урожайность растений, полученных из ростков, апексов, протоспорофитов и микроспорофитов, существенно различалась во все годы исследований. Из ростков формировались одностебельные растения с 1-4 клубнями. В контрольном варианте количество клубней составило в среднем за 3 года 2,1 шт./раст., в варианте с использованием в качестве исходного материала ростков без корней количество клубней (1,8 шт./раст.) было примерно таким же.

Анализ особенностей онтогенеза микроспорофитов показал, что после укоренения они обладали практически одинаковыми свойствами, независимо от исходных данных (количества корешков). Вместе с тем именно процесс укоренения качественно разделял исходные формы по их потенциальным возможностям. По результатам исследований нами была оформлена заявка на изобретение, по которой в 2005 г. получен патент Российской Федерации № 2261587 «Способ ускоренного размножения картофеля».

4. Влияние сеникации на продуктивность растений и качество урожая клубней картофеля

Влияние условий выращивания на рост и развитие растений картофеля. Погодные условия в период проведения исследований были различными и сказались на урожайности растений. Самыми благоприятными для роста и развития растений картофеля были погодные условия 1991 года. Приросты наземной массы и формирование ассимиляционного аппарата начались рано и интенсивно продолжалось в течение июля и августа. В этом же г. получен и максимальный за годы исследований урожай клубней - 20,6 т/га.

Весной и в начале лета 1990 г. вегетативная масса растений формировалась медленно. Вегетационный период оказался растянутым, и даже в конце вегетации наблюдался интенсивный прирост наземной массы.

Динамика формирования урожая и свойства клубней. В 1989 г. накопление урожая клубней проходило интенсивно в конце июля и первой половине августа. Во второй половине августа уменьшились вес наземной массы и площадь листьев растения а также снизилась интенсивность прироста массы клубней. В результате уже в конце августа растения подошли к завершению онтогенеза, начался процесс естественного отмирания наземной части и созревания клубней, что отразилось, в частности, на свойствах покровной ткани.