Anetta Kuczyńska
, Tadeusz Adamski, Maria Surma, Krzysztof
Mikołajczak, Piotr Ogrodowicz, Michał Kempa, Monika Mokrzycka,
Renata Trezciak, Renata Holewińska, Alina Anioła
Instytut Genetyki Roślin Polskiej Akademii Nauk, ul. Strzeszyńska 34, 60-479 Poznań, e-mail: akuc@igr.poznan.pl, tel. 61 6550232
Prace zostały wykonane w ramach badań podstawowych na rzecz postępu biologicznego w produkcji roślinnej na podstawie decyzji Ministra Rolnictwa i Rozwoju Wsi z dnia 27 lipca 2017 r.; Dz. U. 2017, poz. 1470, Zadanie nr 106.
Słowa kluczowe: fenotypowanie, genotypowanie, obrazowanie korzeni, plonowanie, stres abiotyczny, susza,
właściwości elektryczne systemu korzeniowego
Cel podjętego tematu i prowadzonych badań System korzeniowy odgrywa kluczową rolę w pobieraniu wody i składników odżyw-czych, a tym samym determinuje rozwój całej rośliny. Dobrze rozwinięty system korzeniowy może wpływać na wzrost produktywności roślin w zróżnicowanych warunkach środowiska. Z tego względu opracowanie nowych koncepcji analizo-wania fenotypu korzeni i poznanie zmian w ich architekturze w zmiennych warunkach środowi-ska nabiera coraz większego znaczenia.
Celem badań jest zbadanie wpływu niedoboru wody na rozwój i architekturę systemu korzenio-wego u jęczmienia. W tym celu wykorzystanych zostanie 150 różnych form jęczmienia jarego, to jest odmian, rodów lub linii o zróżnicowa-nym pochodzeniu, wybranych w porozumieniu z firmami hodowlanymi. Dla zrealizowania zało-żonego celu wykonane zostało m.in. zastosowa-nie najnowszych technik obrazowania korzeni w warunkach kontrolnych oraz w warunkach deficytu wody na platformie do fenotypowania roślin, a także przeprowadzenie doświadczenia w warunkach polowych w celu określenia poten-cjału plonowania, zbadania rozwoju i architektu-ry systemu korzeniowego badanych genotypów, a także ustalenia stosunku części nadziemnej do części podziemnej rośliny.
Opis wyników z dotychczasowych badań
(drugi rok trwania projektu)
W drugim roku trwania projektu przeprowa-dzono doświadczenia w warunkach polowych w celu określenia potencjału plonowania, zbada-nia rozwoju i architektury systemu korzeniowe-go, a także ustalenia stosunku części podziemnej do części nadziemnej rośliny wszystkich analizo-wanych w projekcie genotypów jęczmienia jare-go. Doświadczenie prowadzone było w oparciu o informacje uzyskane w doświadczeniu pilotażo-wym, które zostało przeprowadzone w roku 2018. Poza metodyką manualnych obserwacji biome-trycznych korzeni wykorzystane zostały również mierniki pracujące w oparciu o pomiar pojemności elektrycznej (ang. electrical capacitance) umoż-liwiające ocenę systemu korzeniowego in situ w czterech fazach: krzewienia (T1), strzelania w źdźbło (T2), kłoszenia (T3) i nalewania ziarna (T4). Pojemności elektryczne wahały się granicach dla T1: 1,34 (KWS Fabienne) – 98,67 (Basza), T2: 34,00 (STH4.1105) – 141,00 (Basza), T3: 84,33 (KWS Vermont) – 252,33 (POB 9917/14) oraz T4: 202,33 (DC 17-9) – 469,33 (Evelina). Wartości średnie dla cech związanych z syste-mem korzeniowym oraz wartości średnie dla cech związanych z częścią nadziemną roślin wahały się w przedziałach: biomasa całkowita 9,57 g (Olympic) – 40,80 g (Concerto), biomasa korzenia 0,53 g (DC 17-3) – 4,44 g (Concerto), długość korzenia 7,00 cm
(DC 17-3) – 16,33 cm (KWS Vermont), liczba źdźbeł produktywnych 4,67 (Beatrix) – 17,00 (DC 17-1), ogólna liczba źdźbeł 5,33 (POB 13085/14) – 21,33 (Conchita), wysokość roślin 42,67 cm (Xanadu) – 63,00 cm (Concerto), średnia długość kłosa 5,00 cm (Xanadu) – 9,57 cm (Vendela), średnia licz-ba ziarna z kłosa 12,93 (Beatrix) – 22,37 (Soldo), średnia masa ziarna z kłosa 0,34 g (Maresi) – 1,20 g (Soldo), masa ziarna z rośliny 3,03 g (Beatrix) – 16,28 g (Concerto) oraz masa tysiąca ziaren 34,76 g (Maresi) – 53,88 g (STH1016). Dodatko-wo ustalony został stosunek części podziemnej do części nadziemnej (RS, %) jak również specy-ficzna długość korzenia (SRL, cm g-1). Wartości RS wahały się w przedziale 0,03% (DC 17-3) – 0,19% (Argento), natomiast wartości SRL wahały się w przedziale 3,13 cm g-1 (DC 17-10) – 20,35 cm g-1 (MCam53). Jednocześnie przeprowadzono także ocenę ocena parametrów systemu korzenio-wego 50 genotypów poprzez zastosowanie najnow-szych technik obrazowania korzeni w warunkach kontrolnych oraz w warunkach deficytu wody na platformie do fenotypowania roślin wyposażo-nej w najnowsze urządzenia służące do ciągłego, nieinwazyjnego mierzenia parametrów korzeni. W eksperymencie pilotażowym badane genotypy jęczmienia jarego (Lubuski i CamB) różniły się pod względem takich cech jak długość korzenia głów-nego oraz gęstość korzeni bocznych. W warunkach kontrolnych Lubuski charakteryzował się większą wartością długości korzenia głównego natomiast odwrotna sytuacja została zauważona w warun-kach stresowych (korzenie formy syryjskiej sięgały głębiej w poszukiwaniu wody). Na podstawie prze-prowadzonych badań wydaje się, iż CamB potrafi lepiej eksploatować zasoby wodne w warunkach niedoboru wody, podczas gdy takie zasoby wodne pozostają niedostępne dla formy europejskiej. W eksperymencie głównym zarejestrowano z kolei niewielki przyrost korzeni bocznych w warunkach kontrolnych, co jest zgodne ze zjawiskiem osłabie-nia rozwoju przyrostu tego typu korzeni w warun-kach glebowych o wysokim stopniu nawodnienia. W przypadku genotypu Class zanotowano długość korzenia w warunkach kontrolnych wynoszącą 59 cm. Natomiast w warunkach stresowych dla tej odmiany zarejestrowano wartość długości korzenia głównego wynoszącą 77 cm.
Wnioski z dotychczasowych badań (pierwszy rok trwania projektu)
Dowiedziono, że wzrost i rozwój systemu korzeniowego następuje szybciej w przypadku
zmieniających się czynników środowiskowych w porównaniu do zmian w rozwoju części nadziem-nych rośliny (Nagel i in. 2006). Korzenie wielu gatunków roślin potrafią łatwo adaptować się do zmieniających się warunków środowiskowych. Co więcej, morfologia oraz tempo rozwoju różnią się nie tylko pomiędzy poszczególnymi gatunka-mi, ale również w obrębie jednego gatunku (Falik i in., 2012). Dlatego też stosowanie wysokoprze-pustowych, nieinwazyjnych metod fenotypowania w badaniach korzeni jest dzisiaj kluczowym narzę-dziem w kontekście reakcji roślin na suszę (Wasaya i in., 2018). W warunkach niedoboru wody obser-wuje się zmniejszenie długości korzenia (Asseng i in. 1998), średnicy korzenia (Munoz-Romero i in. 2010) oraz gęstości systemu korzeniowego (Schwe-iger i in 2009). Dobre wartości cech związane z systemem korzeniowym często mają odzwiercie-dlenie w większym plonie ziarna, a fakt ten znalazł potwierdzenie w przedstawionych wynikach badań W badaniach prowadzonych przez Akmana (2017) wykazano, że jedną z najważniejszych cech tole-rancji na suszę jest stosunek biomasy korzenia do biomasy części nadziemnej rośliny. Głębo-ko zaGłębo-korzenione odmiany mogą wchłaniać wodę i składniki odżywcze z głębokiej gleby, podczas gdy woda gruntowa w płytkich warstwach gleby ulega szybkiemu wyczerpaniu w czasie uprawy. Większa liczba drobnych korzeni w głębokich warstwach gleby może dodatkowo pomóc w pobraniu wody i składników odżywczych. Jednym z efektów suszy dotyczących zbóż jest wzrost stosunku korzeni do pędów. W doświadczeniach przedstawionych przez Motzo i in. (1992) RS badanych odmian pszenicy wzrósł średnio o 37% w stadium krze-wienia w warunkach niedoboru wody. Niezwykle istotnym jest fakt, że RS jest elastyczną i zależną od środowiska cechą korzeni. Inną często bada-ną cechą związabada-ną z systemem korzeniowych jest specyficzna długość korzenia. Rośliny o wysokim SRL mogą pobierać wodę i składniki odżywcze w większych ilościach na jednostkę suchej masy (Pérez-Harguindeguy i in. 2013). Zatem genoty-py o wyższych wartościach RS oraz SRL mogą potencjalnie być lepiej przystosowane i efek-tywniej wzrastać w warunkach stresu jakim jest niedobór wody. Wiedza na temat różnic w morfo-logii systemu korzeniowego jęczmienia jarego może posłużyć do selekcji odmian o korzystnych cechach korzeni oraz zdolnych efektywniej pobie-rać wodę i składniki odżywcze, co w rezultacie może być użyteczne dla firm hodowli roślin. Anetta Kuczyńska, Tadeusz Adamski, Maria Surma...
65
BIULETYN IHAR Nr 291 (1) / 2020
Literatura
Akman, H., Akgun, N., Tamkoc, A. (2017). Screening for root and shoot traits in different wheat species and wild wheat relatives. Botanical Sciences 95(1): 147–154.
Asseng, S., Ritchie, J.T., Smucker, A.J.M., Robertson, M.J. (1998). Root growth and water uptake during water defi-cit and recovering in wheat. Plant Soil. 201:265–273. Falik, O., Mordoch, Y., Ben-Natan, D., Vanunu, M., Goldstein,
O., Novoplansky, A. (2012). Plant responsiveness to root -root communication of stress cues. Ann. Bot. 110: 271–280. Motzo, R., Attene, G. Deidda, M. (1992). Genotypic varia-tion in durum wheat root systems at different stages of development in a Mediterranean environment. Euphytica 66(3): 197–206.
Munoz-Romero, V., Benitez-Vega, J., Lopez-Bellido, L., Lopez-Bellido, R.J. (2010). Monitoring wheat root deve-lopment in a rainfed vertisol: Tillage effect. Eur. J Agron. 33:182–187.
Nagel, K., Schurr, U., Walter, A. (2006). Dynamics of root growth stimulation in nicotiana tabacum in increasing
light intensity. Plant Cell Environ 1936–1945.
Pérez-Harguindeguy, N., Díaz S., Garnier, E., Lavorel, S., Poorter, H., Jaureguiberry, P., Bret-Harte, M. S., Corn-well, W. K., Craine, J. M., Gurvich, D. E., Urcelay, C., Veneklaas, E. J., Reich, P. B., Poorter, L., Wright, I. J., Ray, P., Enrico, L., Pausas, J. G., de Vos, A. C., Buchmann, N., Funes, G., Quétier F., Hodgson, J. G., Thompson, K., Morgan, H. D., ter Steege, H., Sack, L., Blonder, B., Poschlod, P., Vaieretti, M. V., Conti, G., Staver, A. C., Aquino, S., Cornelissen, J. H. C. (2013). New handbook for standardised measurement of plant functional traits worldwide. Australian Journal of Bota-ny 61(3): 167–234.
Schweiger, P., Petrasek, R., Hartl, W. (2009). Root distribu-tion of winter wheat cultivars as affected by drought. In: International Symposium Root Research and Appli-cations, RootRAP, 2-4 September 2009, Boku, Vienna, Australia.
Wasaya, A., Zhang, X., Fang, Q., Yan, Z. (2018). Root pheno-typing for drought tolerance. A review Agronomy 8: 241.
Komunikat
Short communication
E-ISSN: 2657–8913