Leaf pigment complex of spring soft wheat cultivars of different maturity groups under different moisture regimes

Full Text

Введение

Из-за относительно короткого периода вегетации, а также часто повторяющихся засушливых условий второй половины вегетационного сезона в Волго-Вятском регионе одним из основных направлений селекционной работы с зерновыми культурами является создание раннеспелых сортов. Они характеризуются не только коротким сроком созревания, хорошим качеством зерна, но и высокой урожайностью. Большая часть урожая культивируемых растений является результатом работы фотосинтетического аппарата, растительные пигменты (хлорофиллы a и b, каротиноиды, антоцианы и т.д.) играют жизненно важную роль в деятельности земной биосферы и в поддержании жизни на планете посредством участия в реакциях фотосинтеза [1, с. 1]. Молекулы хлорофиллов осуществляют конверсию солнечной радиации в запасаемую химическую энергию посредством улавливания квантов света, передачи уловленной энергии в реакционные центры фотосистем и разделения зарядов в пределах реакционных центров [2, с. 318].

Количество фотосинтетических пигментов в листьях зерновых культур является наследуемым признаком сорта, при этом имея свою возрастную и структурную динамику. Обычно содержание хлорофиллов возрастает от нижних к верхним и становится максимальным у флагового листа в фазу цветения. Создание новых, более продуктивных сортов зерновых культур часто связано именно с количественными изменениями пигментного состава листьев. Например, сорта озимой пшеницы интенсивного типа в 1965–2004 гг. выводились с параллельным повышением содержания каротиноидов и хлорофиллов в листьях в течение вегетации [3, с. 28].

Преобладающей формой хлорофилла у наземных растений является хлорофилл a, который представлен как в реакционных центрах (РЦ) фотосистем, так и в светособирающих комплексах (ССК) хлоропластов [4, с. 494]. Хлорофилл b находится только в ССК. Молекулы хлорофиллов ССК, поглощая энергию света, передают ее в РЦ, где и происходит процесс превращения световой энергии в энергию химических связей. Вклад в сбор световой энергии вносят также каротиноиды, улавливая ее в тех частях спектра, которые слабо используются хлорофиллами. Каротиноиды помогают рассеивать избыток энергии, предохраняя тем самым фотосистему от повреждения [4, с. 496; 5, с. 22].

Поскольку фотосинтез является основным метаболическим процессом, обеспечивающим образование биомассы растений, усиленное внимание уделяется изучению роли признаков, связанных с функционированием фотосинтетического аппарата. Имея данные о количественном содержании зеленых пигментов в листьях, можно оценить эффективность использования растениями фотосинтетически активной радиации, прогнозировать продуктивность посевов, сроки уборки урожая, обеспеченность посевов минеральными (в частности, азотными) удобрениями.

В физиолого-генетических и селекционных работах чаще всего анализируются следующие показатели пигментного комплекса растений: 1) содержание хлорофиллов а, б, их сумма; 2) содержание каротиноидов; 3) соотношение хлорофиллов а / б; 4) соотношение хлорофиллов / каротиноидов; 5) содержание пигментов в светособирающих комплексах и реакционных центрах фотосистем.

Физиологические данные свидетельствуют о том, что снижение содержания хлорофилла тесно связано со снижением урожая в полевых условиях [6, с. 727; 7, с. 120]. Подобные снижения содержания пигментов могут быть связаны с повреждениями структуры тилакоидных мембран и PSII [8, с. 2069–2071]. Поддержание высокого уровня содержания хлорофилла у пшеницы считается желательным признаком в селекции на устойчивость к высоким температурам, поскольку он указывает на меньшую степень фотоингибирования при действии стрессора [8, с. 2072; 9, с. 1459; 10, с. 8; 11, с. 86]. Снижение показателя массового соотношения хлорофиллов а / b может свидетельствовать о повышении адаптивного потенциала растений в условиях стресса и быть показателем устойчивости растений [12, с. 79; 13, с. 1827]. При снижении этого показателя наблюдается уменьшение содержание хлорофилла в гранах хлоропластов. При повышении – уменьшение степени агрегации тилакоидов в мембранах хлоропластов [14, с. 305]. Считают, что соотношение хлорофиллов a и b косвенно характеризует соотношение между комплексами реакционных центров фотосистем I и II и размером периферической антенны фотосистемы II [15, с. 2].

Статистически значимое повышение содержания каротиноидов и соотношения суммы хлорофиллов и каротиноидов может свидетельствовать об активизации защитных механизмов в условиях стресса (например, таких экологических факторов, как несбалансированность минерального питания, низкая рН, ионы алюминия, недостаток или избыток влаги, засуха и т.д.), поскольку одной из функций каротиноидов является защита фотосинтетического аппарата в условиях стресса [16, с. 169; 17, с. 171]. Каротиноиды выступают в роли тушителей активных форм кислорода в хлоропластах [18, с. 1272].

В связи с этим практический интерес представляет сравнение работы пигментного комплекса флаговых листьев сортов пшеницы разных групп спелости в различных условиях увлажнения, что может дать информацию о направлении селекционного улучшения физиолого-генетических признаков растений.

Цель исследования – выявить различия реакции раннеспелых и среднеспелых генотипов мягкой яровой пшеницы на гидротермические условия выращивания по параметрам структурно-функциональной организации пигментных комплексов флаговых листьев.

Материалы и методики исследования

Объектом исследования послужили 9 селекционных линий мягкой яровой пшеницы селекции ФГБНУ ФАНЦ Северо-Востока и два стандартных сорта: сорт Баженка (Кировская обл.) – стандарт группы раннеспелых генотипов, сорт Маргарита (Ульяновская обл.) – стандарт среднеспелой группы. Растения выращивали в 2016–2018 гг. на опытном поле ФАНЦ Северо-Востока (г. Киров). Почвы участка дерново-подзолистые среднесуглинистые, сформированы на элювии пермских глин, pH 4,3. Содержание подвижного фосфора – 166 мг/кг почвы, обменного калия – 175 мг/кг, гумуса 2,02%. Агротехника – общепринятая для зоны. Предшественник – чистый пар. Посев проведен в оптимальные сроки в физиологически спелую почву с нормой высева 6 млн всхожих семян/га.

Оценку состояния пигментного комплекса флаговых листьев осуществляли в фазу цветения растений пшеницы. С каждой повторности каждого сорта отбирались по 20 флаговых листьев, в лабораторных условиях в трехкратной повторности каждого образца брались высечки из средней части листьев, после чего проводилась экстракция пигментов чистым ацетоном. Определение оптической плотности растворов осуществлялось на спектрофотометре SHIMADZU UVmini-1240 (Japan). Выделение пигментов (хлорофилл a, хлорофилл b, каротиноиды) и расчет их содержания проводили по методике H.K. Lichtenthaler, C. Bushmann [19, с. 5–6]. Аналитическая повторность опыта трехкратная.

Анализ элементов структуры продуктивности проводили по 10 растениям с двух полевых повторностей.

Полученные данные обрабатывали статистически с использованием пакетов программ Microsoft Office Excel 2007 и AGROS 2.0. В таблицах представлены средние значения с указанием ошибки среднего, сравнения образцов проведены при уровне значимость р ≤ 0,05.

Метеорологические условия в годы исследования существенно различались по температуре и водному режиму. Вегетационный сезон 2016 г. характеризовался недостаточной влагообеспеченностью на фоне повышенных температур воздуха. Отклонение от климатической нормы суммарного количества осадков составило 19,4%, температуры – 1,5°C. Сумма эффективных температур на 35,0% превысила климатическую норму. Вегетация пшеницы в 2017 г. проходила в основном в условиях пониженных температур и избыточного увлажнения. Отклонение от климатической нормы суммы осадков составило 22,0%, температуры – 1,2°C. Сумма эффективных температур была на 6,0% ниже средней многолетней. В 2018 г. отклонение суммы осадков от климатической нормы составило 6,0%, температуры воздуха +0,6°С. Сумма эффективных температур на 11,0% превысила показатель многолетней средней. Оценивая условия вегетации мягкой яровой пшеницы, 2018 год можно характеризовать как оптимальный для роста и развития растений, 2017 г. – как излишне увлажненный, 2016 г. – как засушливый. Сочетание параметров, характеризующих метеоусловия вегетации, привело к варьированию сроков наступления фаз онтогенеза и их продолжительности. В результате период «всходы – цветение» у пшеницы в зависимости от группы спелости длился в 2016 г. – 45–48 суток, в 2017 г. – 54–57 суток, в 2018 г. – 46–50 суток, а продолжительность вегетационного периода была соответственно равна 76–79, 90–92 и 81–90 суткам.

Результаты и обсуждение

В таблице 1 представлены средние значения содержания фотосинтетических пигментов во флаговых листьях раннеспелых и среднеспелых сортов пшеницы в фазу цветения.

 

Таблица 1 – Содержание фотосинтетических пигментов во флаговых листьях мягкой яровой пшеницы, мг/г сухой массы

Генотипы	Год изучения	Хлорофилл a	Хлорофилл b	Каротиноиды
Раннеспелые	2016	9,04 ± 0,66	4,76 ± 0,35	2,83 ± 0,20
	2017	8,54 ± 0,43	4,93 ± 0,16	2,25 ± 0,13
	2018	7,81 ± 0,22	2,85 ± 0,09	2,49 ± 0,07
	Среднее	8,46 ± 0,36	4,18 ± 0,67	2,52 ± 0,17
Среднеспелые	2016	9,50 ± 0,42	4,77 ± 0,24	2,72 ± 0,09
	2017	9,97 ± 0,27	5,55 ± 0,20	2,77 ± 0,07
	2018	8,48 ± 0,26	3,24 ± 0,20	2,66 ± 0,07
	Среднее	9,31 ± 0,44	4,52 ± 0,68	2,72 ± 0,03

 

Согласно данным табл. 1, к началу цветения среднеспелые сорта пшеницы накапливали больше хлорофилла а, чем раннеспелые. В среднем за годы исследования это превышение составило около 10%. Вариабельность признака по годам исследования была незначительной: для среднеспелых сортов она составила 8,2%, для раннеспелых – 7,3%. Такая невысокая вариабельность может объяснятся относительно низким влиянием гидротермических условий на процессы синтеза пигмента по сравнению с условиями минерального питания, которые по годам практически не изменялись.

Статистически значимые различия по количеству хлорофилла a у сортов пшеницы двух групп спелости отмечены в 2017 и 2018 гг. В эти годы среднеспелые генотипы содержали соответственно на 16,7 и 8,5% больше пигмента, чем раннеспелые. Главным образом сорта разных групп спелости различались распределением пигмента между структурными частями фотосистем: у среднеспелых линий больше хлорофилла a содержалось в реакционных центрах, тогда как количество хлорофилла a в светособирающих комплексах хлоропластов не отличалось. Так, в 2017 г. раннеспелые генотипы содержали в РЦ фотосистем 6,85 ± 0,20 мг/г хлорофилла a, среднеспелые 7,77 ± 0,23 мг/г, в 2018 г. показатели составили 4,54 ± 0,14 и 5,08 ± 0,28 мг/г соответственно.

В условиях 2016 г. (недостаточная влагообеспеченность на фоне повышенных температур воздуха) различия по содержанию хлорофилла а и его распределению между функциональными структурами хлоропластов у разных по спелости групп пшеницы были статистически незначимы.

Анализ содержания хлорофилла b во флаговых листьях пшеницы показал, что в условиях 2016 г. количество пигмента в 1 г сухой массы у сортов двух групп спелости также значимо не отличалось. Условия вегетации 2017 и 2018 гг. (избыточное и нормальное увлажнение и пониженные и близкие к климатической норме температуры соответственно) способствовали более интенсивному синтезу хлорофилла b у среднеспелых сортов, в результате чего они содержали его на 12,6 и 11,0% соответственно больше, чем раннеспелые. Коэффициент вариации содержания пигмента в листьях среднеспелых сортов составил 26,0%, раннеспелых – 27,6%.

В экологических исследованиях широко используется такой параметр оценки, как массовое соотношение хлорофиллов a и b [20, с. 387]. Исследуемые генотипы пшеницы произрастали в одинаковых условиях освещенности, и, действительно, в 2017–2018 гг. различия по данному параметру между двумя группами сортов выявлены не были. Условия вегетации 2016 г. (засуха средней степени – осадков на 19,4% менее климатической нормы, превышение температуры воздуха на 1,5°C) способствовали появлению значимых отличий между группами: соотношение хлорофиллов a/b у среднеспелых сортов было на 5,0% выше, чем у раннеспелых. В целом по годам исследования вариабельность данного параметра была значительной и составила для раннеспелых сортов 27,1%, среднеспелых – 24,1%.

В 2017 и 2018 гг. среднеспелые сорта пшеницы статистически значимо превзошли раннеспелые генотипы по содержанию во флаговых листьях вспомогательных пигментов – каротиноидов. Разница между группами сортов составила 23,1 и 7,6% соответственно (табл. 1). В 2016 г. большее количество каротиноидов в 1 г сухой массы содержали раннеспелые сорта, однако это преимущество было статистически незначимо. Вариабельность содержания каротиноидов по годам была выше для раннеспелых генотипов (11,6%), в то время как для среднеспелых образцов она составила всего 1,7%.

В исследовании пигментного комплекса растений часто используют показатель массового соотношения суммы хлорофиллов и каротиноидов [19, с. 6–7]. Данное соотношение позволяет оценить степень разрушения молекул хлорофилла, поскольку в процессе старения листа или в стрессовых условиях хлорофиллы разрушаются раньше, чем каротиноиды [21, с. 705]. По отношению суммы хлорофиллов к каротиноидам значимые отличия между группами сортов выявлены только в 2017 г.: у раннеспелых генотипов показатель имел значение 5,99 ± 0,15, у среднеспелых – 5,61 ± 0,12. Варьирование параметра по годам было выше у раннеспелых сортов – 17,0%, в то время как у среднеспелых – 12,8%.

По содержанию хлорофиллов a и b в фазу цветения в группе среднеспелых сортов выделены селекционные линии С-64, С-65, С-103, С-129. Количество хлорофиллов у этих генотипов статистически значимо превысило показатели стандартного сорта Маргарита (табл. 2).

 

Таблица 2 – Средние значения содержания фотосинтетических пигментов во флаговых листьях мягкой яровой пшеницы в 2016–2018 гг.

Сорт, линия	Хлорофилл a	Хлорофилл b	Каротиноиды
Раннеспелая группа
Баженка-ст.	8,35 ± 0,31	4,13 ± 0,71	2,73 ± 0,22
С-177	8,71 ± 0,82	4,47 ± 0,74	2,46 ± 0,24
С-180	8,32 ± 0,48	3,93 ± 0,61	2,38 ± 0,06
Среднеспелая группа
Маргарита-ст.	8,48 ± 0,62	4,24 ± 0,81	2,48 ± 0,12
С-54	9,53 ± 0,53	4,40 ± 0,75	2,67 ± 0,08
С-64	10,03 ± 0,31	4,79 ± 0,60	2,98 ± 0,03
С-65	10,33 ± 0,54	5,30 ± 0,52	2,91 ± 0,07
С-84	8,39 ± 0,09	3,87 ± 0,50	2,55 ± 0,07
С-103	9,48 ± 0,46	4,74 ± 0,95	2,71 ± 0,10
С-122	8,67 ± 0,64	4,01 ± 0,78	2,59 ± 0,08
С-129	9,61 ± 0,68	4,77 ± 0,74	2,84 ± 0,10

 

Максимальное суммарное содержание хлорофиллов a и b отмечено у линии С-65 (15,64 мг/г сухой массы), в то время как у стандарта этот показатель составил 12,72 мг/г. По среднему за период исследования по содержанию каротиноидов во флаговых листьях селекционные линии С-84 и С-122 находились на уровне стандарта Маргарита, остальные генотипы значимо превысили его.

В раннеспелой группе селекционные линии по содержанию пигментов находились на уровне стандарта Баженка. Сорта этой группы сильно реагировали на изменение условий выращивания: коэффициенты вариации содержания хлорофилла a имели значения 6,5–16,3%, содержания хлорофилла b – 26,9–29,7%, каротиноидов – 4,1–17,2%.

В среднеспелой группе большинство сортов также сильно реагировали на условия вегетации. Например, у стандартного сорта Маргарита коэффициенты вариации содержания пигментов имели значения: 12,7% – для хлорофилла a, 33,2% – для хлорофилла b, 8,6% – для каротиноидов, у линии С-103 коэффициенты вариации составили 15,8%, 34,8% и 6,5%. Наиболее стабильное по годам содержание пигментов имели селекционные линии С-64, С-65, С-84. У данных генотипов коэффициенты вариации содержания хлорофилла a находились в пределах 1,9–9,1%, содержания хлорофилла b – 16,9–22,2%, содержания каротиноидов – 1,9–4,8%.

Результаты дисперсионного анализа позволили рассчитать долю влияния генотипа и факторов внешней среды на содержание пигментов во флаговых листьях пшеницы двух групп спелости (табл. 3).

 

Таблица 3 – Доля влияния генотипа (η² _А) и условий года (η² _В) на содержание пигментов во флаговых листьях мягкой яровой пшеницы в фазу цветения (2016–2018 гг.), %

Показатели	η² А	η² В	η² АВ	η² Х
Раннеспелая группа
Хлорофилл a, мг/г сух. массы	2,6	22,3*	36,1*	32,3
Хлорофилл b, мг/г сух. массы	3,7	67,7*	4,3	23,4
Каротиноиды, мг/г сух. массы	14,0	36,5*	12,4	29,2
Доля хлорофилла a в ССК, %	3,2	65,4*	2,71	21,5
Среднеспелая группа
Хлорофилл a, мг/г сух. массы	30,1*	25,2*	19,0*	23,6
Хлорофилл b, мг/г сух. массы	12,3*	57,6*	7,5	22,2
Каротиноиды, мг/г сух. массы	44,5*	2,0	18,8*	29,5
Доля хлорофилла a в ССК, %	4,2	60,4*	5,7	29,0

Примечание. * – влияние фактора статистически значимо при p ≤ 0,05.

 

В группе раннеспелых сортов, согласно данным табл. 3, количество фотосинтетических пигментов в 1 г сухой массы флаговых листьев значимо зависело от условий года вегетации. На содержание хлорофилла a сильное влияние оказало также взаимодействие факторов «генотип» и «годы». В группе среднеспелых сортов содержание хлорофилла a в равной степени определялось генотипом и условиями выращивания. Еще более сильное влияние генотипа в данной группе выявлено по содержанию каротиноидов во флаговых листьях.

Оценка доли генотипа и факторов внешней среды по алгоритму биометрических расчетов на основе результатов двухфакторного дисперсионного анализа показала, что в условиях Волго-Вятского региона преобладающая роль генотипа проявилась по содержанию в листьях в фазу цветения хлорофилла a и каротиноидов (31,1 и 35,7% соответственно). Также на количественную выраженность данных пигментов существенное влияние оказало сочетание факторов «генотип» и «годы»: для хлорофилла a – 22,8%, для каротиноидов – 27,8%. Содержание хлорофилла b и доля хлорофилла a в ССК хлоропластов обусловлены в основном факторами среды. Для содержания хлорофилла b доля влияния средовых факторов составила 58,3%, для хлорофилла a, находящегося в ССК хлоропластов, – 61,8%.

В условиях разных лет (засуха 2016 года, избыточное увлажнение 2017 г. и близкие к климатической норме условия 2018 г.) исследования степень зависимости между содержанием пигментов во флаговых листьях пшеницы в фазу цветения и параметрами структуры продуктивности была различной. В засушливом 2016 году у среднеспелых сортов содержание хлорофилла a достоверно коррелировало с длиной главного колоса (r = 0,722) и числом зерен главного колоса (r = 0,790). Длина главного колоса и число зерен в нем достоверно коррелировали с содержанием каротиноидов (r = 0,821 и r = 0,824 соответственно). У раннеспелых генотипов достоверно коррелировали длина главного колоса и количество хлорофилла a (r = 0,999). В излишне увлажненном 2017 году количество хлорофилла b достоверно отрицательно коррелировало с продуктивной кустистостью: у раннеспелых сортов r = –0,999, у среднеспелых сортов r = –0,779. В этом году масса 1000 зерен у раннеспелых сортов была достоверно связана с содержанием в их флаговых листьях хлорофилла a (r = –0,997). В 2018 году достоверные корреляционные связи между содержанием пигментов и элементами продуктивности сортов были отмечены в среднеспелой группе. Так, содержание хлорофилла a коррелировало с массой 1000 зерен (r = 0,792), содержание хлорофилла b – с массовыми показателями главного колоса и зерна с него (r = 0,727 и 0,749 соответственно), а также с урожайностью линии (r = 0,722).

Заключение

Исследование реакции пигментного комплекса мягкой яровой пшеницы на абиотические факторы среды (гидротермические условия выращивания 2016–2018 гг.) позволило выявить различия его структуры у раннеспелых и среднеспелых генотипов. Выявлено, что при климатической норме увлажнения вегетационного периода среднеспелые сорта содержат во флаговых листьях значимо больше фотосинтетических пигментов, чем раннеспелые. Отмечено, что у среднеспелых линий больше хлорофилла a содержалось в РЦ фотосистем, при этом количество хлорофилла a в ССК хлоропластов у сортов двух групп спелости не отличалось. В засушливых условиях различия между группами сортов по содержанию пигментов не выявлены, однако отмечено, что соотношение хлорофиллов a/b у среднеспелых сортов было на 5,0% выше, чем у раннеспелых. В условиях переизбытка почвенной влаги в листьях раннеспелых сортов ускоряется процесс разрушения хлорофиллов – на это указывает более высокий показатель отношения суммы хлорофиллов к каротиноидам (5,99 ± 0,15), в то время как у среднеспелых сортов он имел значение 5,61 ± 0,12.

Максимальное суммарное значение содержания хлорофиллов a и b отмечено у линии С-65 (15,64 мг/г сухой массы), в то время как у стандарта Маргарита этот показатель составил 12,72 мг/г. В раннеспелой группе селекционные линии содержали равное со стандартом Баженка количество фотосинтетических пигментов.

Содержание пигментов в листьях пшеницы значимо зависело от условий вегетации. Наиболее стабильное по годам содержание пигментов (наибольшую степень абиотической устойчивости) имели среднеспелые селекционные линии С-64, С-65, С-84.

Оценка доли генотипа и факторов среды показала, что в условиях Волго-Вятского региона преобладающая роль генотипа проявилась по содержанию в листьях в фазу цветения хлорофилла a и каротиноидов (31,1 и 35,7% соответственно). Также на количественную выраженность данных пигментов существенное влияние оказало сочетание факторов «генотип» и «условия увлажнения»: для хлорофилла a – 22,8%, для каротиноидов – 27,8%. Содержание хлорофилла b и доля хлорофилла a в ССК хлоропластов обусловлены в основном гидротермическими факторами среды. Для содержания хлорофилла b доля влияния средовых факторов составила 58,3%, для хлорофилла a, находящегося в ССК хлоропластов, – 61,8%.

About the authors

Oksana Sergeevna Amunova

Federal Agricultural Research Center of the North-East named N.V. Rudnitsky

Author for correspondence.
Email: priemnaya@fanc-sv.ru

candidate of biological sciences, researcher of Spring Wheat Breeding Laboratory

Russian Federation, Kirov

Evgeny Mikhailovich Lisitsin

Vyatka State Agricultural Academy; Federal Agricultural Research Center of the North-East named N.V. Rudnitsky

Email: edaphic@mail.ru

doctor of biological sciences, professor of Ecology and Zoology Department, head of Plant Edaphic Resistance Department

Russian Federation, Kirov; Kirov

References

Supplementary files