Зміна клімату та перспективи вирощування кукурудзи в гостропосушливих умовах Південного Степу України

За оцінками врожайності у світі щороку через посуху втрачається 15–20% урожаю зерна кукурудзи. У зв’язку із цим слід звернути пильну увагу на розробку різних напрямів селекції з урахуванням екологічної адаптації самозапилених ліній і гібридів до природних чинників

Тепловий стрес

Кукурудза в Україні та світі — одна з найважливіших зернових, кормових і технічних культур. В останні роки ця культура займає все більш стійку позицію на світовому ринку зерна. Природно-кліматичні умови України дозволяють не лише забезпечити внутрішні потреби в зерні кукурудзи, а також значно наростити її експертний потенціал і суттєво збільшити валютні надходження в країну.

Погодні аномалії, зумовлені глобальними змінами клімату, негативно впливають на процеси росту й розвитку сільськогосподарських культур, зокрема кукурудзи й, таким чином, знижують продуктивність сільського господарства загалом. Такі процеси являють загрозу як продовольчій, так і національній безпеці. За оцінками врожайності у світі щороку через посуху втрачається 15–20% урожаю зерна кукурудзи. Втрата врожаю може стати суттєвішою, оскільки періоди посухи можуть стати частішими та сильнішими через зміну клімату. За останні 25 років середня добова температура повітря в Україні підвищилась приблизно на 1,5 °С, що свідчить про значне підвищення температурного режиму й істотні кліматичні зміни.

Для багатьох культур тепловий стрес є одним із найпоширеніших абіотичних стресів, які значно обмежують виробництво сільськогосподарської продукції у всьому світі. Втрата врожаю може стати більш суттєвою, оскільки періоди посухи можуть стати частішими та сильнішими через зміну клімату. Особливо такі зміни почали проявлятися взимку, у січні й лютому, оскільки середня температура в ці місяці підвищилась на 2,3–2,5 °С.

________________

Температурний чинник вносить істотні обмеження в ріст, розвиток і продуктивність рослин кукурудзи. Протягом вегетації до часу появи генеративних органів підвищення температури повітря до позначки 25 °С не шкодить росту й розвитку рослин кукурудзи

________________

Кукурудза — теплолюбна культура. За узагальненими даними, насіння більшості гібридів кукурудзи проростає за температури 8–10 °С, сходи з’являються за температури ґрунту не нижчої ніж 10–12 °С, найсприятливіші для росту й розвитку в період сходи — викидання волоті середньодобові температури повітря 20–23 °С в період другої половини вегетації — від викидання волоті до дозрівання насіння — 22–23 °С. Проте температурний чинник вносить істотні обмеження в ріст, розвиток і продуктивність рослин кукурудзи. Протягом вегетації до часу появи генеративних органів підвищення температури повітря до позначки 25 °С не шкодить росту й розвитку рослин кукурудзи.

Рослини кукурудзи можуть перебувати досить тривалий час у стані пригнічення, зберігаючи життєздатність і можливість відновлювати нормальне функціонування за наявності опадів. Надмірно високі температури несуть основну загрозу для майбутнього виробництва кукурудзи. Температура, що перевищує оптимальний рівень певний час, може завдати шкоди росту й розвитку рослин. Для кукурудзи верхній пороговий рівень температури для всіх фаз розвитку становить 39,2 °С. При тривалому впливі температури 32,0 °С та вище знижується здатність пилку кукурудзи до проростання, а при постійному впливі температури 38,0°С пилок кукурудзи не проростає взагалі. Інтенсивність і тривалість дії високої температури в період цвітіння та раннього наливання зерна мають несприятливий вплив на низку термолабільних фізіологічних процесів. Вплив високих температур негативно впливає на ріст і розвиток рослини й може прискорити утворення волоті, подовжити інтервал між цвітінням генеративних органів та знизити кількість і життєздатність пилку, що негативно вливає на запилення. Всі ці результати додатково підтвердили, що висока температура під час цвітіння знижує врожайність кукурудзи більшою мірою, ніж інші абіотичні стреси, головним чином через зменшення кількості зерен. Кількість зерен на качані та маса зерен є визначальними чинниками врожайності кукурудзи, що формуються впродовж критичного періоду, який триває приблизно 30 днів.

За останні роки на Півдні України, де традиційно вирощували кукурудзу на великих площах, складається дуже критична ситуація з вирощуванням цієї важливої для нашої країни культури в богарних умовах. Стресові явища, пов’язані з дефіцитом вологозабезпечення, з різною інтенсивністю повторюються у цій зоні упродовж усього періоду вегетації та неоднаково, залежно від експозиції, інтенсивності та стадії розвитку рослин негативно впливають на врожайність кукурудзи, яка при посухах зменшується на 20–40% і навіть більше.

Наростання посушливих явищ — один із основних чинників, який обмежує подальше успішне вирощування кукурудзи в умовах Південного Степу України. Посуха тут виникає через тривалу відсутність дощів і супроводжується високою температурою та сонячною інсоляцією. Частіше відмічається атмосферна посуха, яка характеризується низькою відносною вологістю повітря (18–20% та нижче), до неї може додатися ще й ґрунтова посуха через брак доступної для рослин вологи у ґрунті. Більш небезпечною є комбінована посуха, коли за браку вологи в ґрунті додається вплив сухого і спекотного повітря. За сильної або тривалої посухи відбуваються глибокі зміни у тканинах рослин, різко порушуються функціонування систем життєдіяльності, що призводить до їх загибелі.

Підвищення врожайності кукурудзи новими гібридами й сортами

У багатьох країнах світу, особливо тих, де дуже високий рівень інтенсифікації землеробства, домінантним чинником у збільшенні врожайності будь-якої сільськогосподарської культури є підбір гібрида чи сорту. Підвищення врожайності за участю нових високоврожайних гібридів або сортів у Європі становить 25%.

У зв’язку із цим слід звернути особливу увагу на розробку різних напрямів селекції з урахуванням екологічної адаптації самозапилених ліній і гібридів до природних чинників. У мінливих кліматичних умовах очевидною є необхідність посилення селекційної роботи зі створення генотипів, адаптованих до регіональних агроекологічних особливостей і технологічних вимог. При розробці конкретної генетичної моделі лінії або гібрида доцільно знати технічні вимоги до гібридів, висунуті споживачем; передбачені умови середовища вирощування, а саме: точну характеристику ґрунтово-кліматичних ресурсів регіону, ступінь варіювання окремих факторів середовища та їх амплітуду; поширеність шкідників і хвороб у конкретному регіоні та динаміку їх чисельності; передбачуваний рівень агротехнічних прийомів, наявність добрив, пестицидів та ін.; біологію культури, зокрема спеціальну генетику ознак, закономірності і структуру модифікаційної мінливості, генетичні та фізіологічні механізми індивідуальної та популяційної буферності (гомеостазу), принципи конструювання агроценозів, що мають високу адаптивність до конкретних екологічних умов.

________________

При створенні посухостійких гібридів необхідно виділення вихідного матеріалу, адаптованого до водного стресу

________________

Для зниження ризику впливу негативних явищ у кожній конкретній зоні рекомендуються до вирощування гібриди з різними біологічними та агроекологічними властивостями. При створенні посухостійких гібридів необхідно виділення вихідного матеріалу, адаптованого до водного стресу. Стійкість до посухи досягається завдяки комплексу фізіологічних механізмів: фенологічній вирівняності ліній та гібрида, підвищеній водоутримувальній здатності, стабільності дихання і фотосинтезу, здатності до швидкого переходу на різні за інтенсивністю рівні транспірації.

Вплив високих температур негативно впливає на ріст і розвиток рослини і може прискорити утворення волоті, подовжити інтервал між цвітінням генеративних органів та знизити кількість і життєздатність пилку, що негативно вливає на процес запилення. Всі ці результати додатково підтвердили, що висока температура під час цвітіння знижує врожайність кукурудзи більшою мірою, ніж інші абіотичні стреси, головним чином через зменшення кількості зерен. Кількість зерен на качані та маса зерен є визначальними факторами врожайності кукурудзи, що формуються впродовж критичного періоду, який триває приблизно 30 днів. Ідентифікація ознак із використанням природного генетичного різноманіття або популяції мутантів є перспективною. Однак точне фенотипування різноманітної популяції є головним вузьким місцем для програм покращення врожаю.

Нещодавні досягнення в галузі феноміки та розробка високопродуктивних платформ фенотипування зробили можливим скринінг і характеристику великої кількості зародкової плазми за дуже короткий час, що надзвичайно прискорило створення сортів. Реакція рослин на тепловий стрес є складним процесом, що включає багато компонентів на клітинному рівні та полігенні ознаки на рівні всієї рослини. Встановлено, що вплив теплового стресу індукує понад 5000 генів у рослинах кукурудзи. Ознаки, що сприяють стійкості до теплового стресу, такі як життєздатність пилку та інші, регулюються кількома локусами. Таким чином, встановлення QTL / генів, пов’язаних зі стійкістю до теплового стресу, має вирішальне значення для розробки термостійких високоврожайних сортів. Нещодавні досягнення в геноміці, селекції за допомогою маркерів і феноміці дозволили ідентифікувати QTL і гени за допомогою широкогеномних досліджень асоціацій (GWAS) і розширеного картографування популяцій. Було повідомлено про численні QTL у кукурудзи, які пов’язані зі стійкістю до теплового стресу; низку генів і чинників транскрипції, індукованих тепловим стресом, можна використовувати в генній інженерії та селекції на стійкість до теплового стресу.

Борис Вареник, канд. с.-г. наук,
завідувач відділу СГІ-НЦНС
Ігор Терещенко, молодший
науковий співробітник