Отправить статью по E-mail Использование метода культуры ткани для создания новых форм Fagopyrum esculentum Moench
- Авторы: Барсукова Е.Н.1, Клыков А.Г.1, Чайкина Е.Л.2
-
Учреждения:
- Федеральный научный центр агробиотехнологий Дальнего Востока имени А.К. Чайки
- Тихоокеанский институт биоорганической химии имени Г.Б. Елякова ДВО РАН
- Выпуск: № 5 (2019)
- Страницы: 3-6
- Раздел: Растениеводство
- URL: https://journals.eco-vector.com/2500-2627/article/view/16518
- DOI: https://doi.org/10.31857/S2500-2627201953-6
- ID: 16518
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Приведены результаты использования метода культуры ткани на гречихе посевной (Fagopyrum esculentum Moench) с применением в качестве селективных факторов повышенных концентраций ионов тяжелых металлов в питательной среде. На основе сортов Изумруд (Россия), Китавасэ (Япония), гибрида Изумруд х Китавасэ получены регенерантные линии, толерантные к меди и цинку. Отрицательный эффект действия ионов меди отмечен со второго поколения в потомстве растений, регенерированных из каллуса, в виде появления бесхлорофилльных мутантов. Установлено положительное действие тяжелых металлов на увеличение содержания рутина у растений-регенерантов in vitro. Проведенная в полевых условиях селекционная оценка образцов, толерантных к тяжелым металлам, позволила отобрать наиболее адаптированные из них к муссонным условиям Приморского края, сочетающие ценные признаки крупнозерности (масса 1000 зерен – 36-38 г), высокой семенной продуктивности растения (1,9-3,2 г) и повышенного содержания рутина в надземной массе (2,8-4,3%).
Полный текст
Развитие и применение в сельском хозяйстве современных технологий, в том числе и биотехнологии, для создания продовольственной базы страны является одним из государственных приоритетов [1]. Широкое внедрение в селекционный процесс методов биотехнологии дает практические результаты. В Государственном реестре селекционных достижений Российской Федерации за 2018 г. находятся сорта сельскохозяйственных культур, выведенные с использованием метода культуры клеток и тканей: ярового ячменя – сорта Вулкан, Прерия, Эльф, Рахат, Суздалец, БИОС 1; гречихи – Темп; риса – Крепыш; сои – Приморская 81, стевии – Приморская сластена [2]. В 2017 г. в Государственное сортоиспытание передан новый сорт гречихи Уссурочка с повышенным содержанием флавоноидов (рутин), полученный с использованием методов биотехнологии в Федеральном научном центре – ФНЦ агробиотехнологий Дальнего Востока имени А.К. Чайки.
Создание сортов гречихи с повышенным содержанием рутина, устойчивых к стрессовым ситуациям, обусловленным абиотическими и биотическими факторами, актуально в настоящее время [3]. Стрессовое состояние у растений может быть индуцировано ионами тяжелых металлов. Присутствие их высоких концентраций приводит к увеличению хромосомных аберраций и появлению мутаций [4-8]. Клеточная селекция с использованием летальных доз ионов этих токсикантов может быть перспективным методом получения растительных форм с улучшенными характеристиками [9].
Цель настоящей работы состояла в изучении и оценке в лабораторных и полевых условиях регенерантных линий гречихи, полученных методом культуры ткани на селективных средах с повышенным содержанием меди и цинка.
Методика. Исследования по получению толерантных к ионам тяжелых металлов растений гречихи посевной (Fagopyrum esculentum Moench) проведены на базе лаборатории сельскохозяйственной биотехнологии ФНЦ агробиотехнологий Дальнего Востока имени А.К. Чайки. Толерантные к ионам тяжелых металлов образцы гречихи созданы на основе сортов Китавасэ (Япония), Изумруд (Россия) и гибрида Изумруд х Китавасэ. Применяли метод клеточно-тканевой селекции – культивировали микропобеги и каллус на селективных средах с высокими дозами тяжелых металлов [10, 11]. Семенное потомство регенерантов после размножения изучали в полевых условиях селекционного питомника (СП). Содержание рутина в растительных пробах определяли по М.Н. Запрометову [12] в Тихоокеанском институте биоорганической химии им. Г.Б. Елякова ДВО РАН. Адаптивные свойства образцов гречихи оценивали по стрессоустойчивости и генетической гибкости [13], расчет показателей экологической пластичности проводили по методике В.З. Пакудина [14].
Результаты и обсуждение. Культура in vitro служит удобной моделью для исследования влияния ионов тяжелых металлов на клетки и органы растений. Применение селективных сред с высоким содержанием ионов меди и цинка для получения толерантных к этим токсикантам форм гречихи начато нами с 2006 г. Эксперименты показали, что зрелые семена, клеточные культуры (каллус), микропобеги гречихи посевной характеризуются различной, но достаточно высокой степенью устойчивости к действию повышенных концентраций сульфатов меди и цинка. Изученные генотипы гречихи проявили избирательную степень устойчивости к этим металлам. Цинк оказывает более негативное действие на жизнеспособность всех изученных объектов, чем медь. Сернокислая медь в количестве 9,2-23,0 мг/л стимулирует регенерационные процессы гречихи in vitro [15]. Отрицательный мутагенный эффект выявлен при воздействии на клетки каллуса гречихи сернокислой меди в количестве 24-60 мг/л в виде появления в потомстве летальной бесхлорофилльной мутации с частотой 1,5-9,6 %.
Культивирование растений-регенерантов гречихи сорта Изумруд в стрессовых условиях при повышенном содержании сульфата меди (161, 184 мг/л) и сульфата цинка (606 мг/л) в питательной среде in vitro увеличило (до 10% в сравнении с исходным сортом) в растительных тканях содержание ценного биологически активного вещества из группы флавоноидов – рутина. Вероятно, такая реакция стала откликом растений на действие ионного стресса. Это предположение согласуется с мнением других исследователей о том, что усиление синтеза фенолов в растениях служит неспецифической реакцией на стресс и играет важную роль в защите, адаптации клеток и их способности выживать в стрессовых условиях [16-18].
Табл. 1. Селекционная характеристика образцов гречихи, толерантных к повышенным концентрациям сульфата меди и цинка
Сорт (образец) | Содержание соли тяжелого металла, мг/л | Продуктивность семян с растения, г | Масса 1000 зерен, г | Содержание рутина, % в надземной массе в фазе цветения |
Изумруд (исходный сорт) | 0 | 1,12±0,30 | 34,0 | 2,6 ± 0,1 |
Изумруд (СЦ) | 404,0 | 3,20±0,24* | 36,2 | 3,5 ± 0,1* |
Изумруд (СЦ) | 606,0 | 1,92±0,28* | 38,0 | 2,4 ± 0,2 |
Изумруд х Китавасэ (ММ) | 161,0 | 1,20±0,48 | 30,4 | 3,6 ± 0,3* |
Китавасэ (исходный сорт) | 0 | 1,60 ± 0,21 | 32,0 | 2,0 ± 0,2 |
Китавасэ (МЦ) | 101,0 | 1,13±0,26 | 25,0 | 2,8 ± 0,2* |
Китавасэ (МЦ) | 606,0 | 2,09±0,33* | 36,0 | 2,5 ± 0,2 |
Китавасэ (ММ+К) | 46,0 | 0,85±0,12 | 29,6 | 4,3 ± 0,1** |
Китавасэ R30 (КМ) | 60,0 | 0,91±0,12 | 32,0 | 2,8 ± 0,1* |
Китавасэ R62 (КМ) | 60,0 | 1,81±0,40 | 31,0 | 2,0± 0,2 |
¯x ±S¯x | 1,58±0,22 | 32,4± 1,2 | 2,85± 0,23 | |
V, % | 45,7 | 11,7 | 25,9 | |
Примечание. СЦ – семена проращивали в растворе сульфата цинка, МЦ – микропобег на среде с сульфатом цинка, КМ – регенерант получен из каллуса на среде с сульфатом меди, ММ+К – микропобег на среде с сульфатом меди + колхицин in vitro. Различия достоверны при *Р< 0,05, ** Р< 0,01 по сравнению с исходным сортом. | ||||
Табл. 2. Параметры адаптивных свойств семенной продуктивности у толерантных к тяжелым металлам форм гречихи
Происхождение образца | Содержание соли тяжелого металла, мг/л | Продуктивность семян растения, г | Стрессоустойчивость У1-У2 | Генетическая гибкость (У2+У1)/2 | Коэффициент регрессии bi | Варианса стабильности S2d | ||
¯x | У2 (min) | У1 (max) | ||||||
Изумруд (исходный сорт) | 0 | 1,6 | 0,4 | 3,9 | -3,5 | 2,15 | 0,79 | 0,05 |
Китавасэ (исходный сорт) | 0 | 1,7 | 0,4 | 2,8 | - 2,4 | 1,60 | 0,39 | 0,57 |
Китавасэ (ММ) | 11,5 | 1,7 | 0,4 | 3,9 | -3,5 | 2,15 | 1,07** | 0,22** |
Китавасэ (ММ) | 23,0 | 1,1 | 0,4 | 1,6 | -1,2 | 1,0 | 0,1 | 0,22 |
Китавасэ (ММ) | 46,0 | 2,0 | 0,6 | 6,3 | - 5,7 | 3,45 | 1,28 | 1,02 |
Китавасэ R29 (КМ) | 60,0 | 2,4 | 0,2 | 5,7 | -5,5 | 2,95 | 1,09** | 0,14** |
Китавасэ R30 (КМ) | 60,0 | 2,3 | 0,4 | 5,7 | -5,3 | 3,05 | 1,11** | 0,02** |
Китавасэ R62 (КМ) | 60,0 | 1,8 | 0,2 | 4,3 | - 4,1 | 2,25 | 0,8 | 0,56 |
Китавасэ (МЦ) | 101,0 | 2,5 | 0,4 | 4,4 | -4,0 | 2,40 | 1,29 | 0,31 |
Китавасэ (МЦ) | 202,0 | 2,2 | 0,5 | 5,3 | -4,8 | 2,90 | 1,02** | 0,05** |
Китавасэ (МЦ) | 606,0 | 1,9 | 0,8 | 4,3 | -3,5 | 2,55 | 0,85 | 0,19 |
Китавасэ (МЦ) | 1010,0 | 1,9 | 0,3 | 4,4 | -4,1 | 2,35 | 1,02 | 2,3 |
Изумруд х Китавасэ (ММ) | 11,5 | 2,4 | 0,3 | 6,0 | -5,7 | 3,15 | 1,26* | 0,01* |
Изумруд х Китавасэ (ММ) | 23,0 | 1,5 | 0,2 | 3,4 | -3,2 | 1,8 | 0,68 | 0,03 |
Изумруд х Китавасэ (ММ) | 161,0 | 2,6 | 0,2 | 6,7 | -6,5 | 3,5 | 1,43* | 0,01* |
Изумруд х Китавасэ (ММ) | 184,0 | 2,9 | 0,3 | 7,3 | -7,0 | 3,8 | 1,52* | 0* |
Примечание. ММ – микропобег на среде с сульфатом меди, МЦ – микропобег на среде с сульфатом цинка, КМ – регенерант, полученный из каллуса на среде с сульфатом меди. * Высокопластичные и стабильные, ** Пластичные и стабильные. | ||||||||
Испытание толерантных к тяжелым металлам образцов в полевых условиях селекционного питомника показало наличие у них положительных изменений отдельных признаков по сравнению с исходными сортами. Так, продуктивность семян оказалась выше на 3,2 и 1,9 г у форм, полученных при обработке семян сорта Изумруд повышенными концентрациями сульфата цинка, а также на 2,09 г у микропобегов сорта Китавасэ после культивирования in vitro на среде с 606 мг/л сульфата цинка (табл.1). Данные формы также характеризовались высокой крупностью зерна (масса 1000 зерен составляла 36-38 г). Показатели содержания рутина в надземной массе растений, взятых для анализа в фазе цветения, у пяти образцов превысили значения исходных сортов. Максимальное количество рутина (4,3%) обнаружено в растениях сорта Китавасэ, полученных в результате клеточной селекции на среде с 46 мг/л сульфата меди и обработкой колхицином in vitro.
Уровень устойчивости к стрессам – генетически контролируемый и наследуемый признак и в то же время – потенциальный. В оптимальных условиях он скрыт и проявляется лишь тогда, когда растения оказываются под действием экстремального фактора [19]. Проблема устойчивости сортов к экологическим факторам среды, лимитирующим формирование потенциально возможной продуктивности, актуальна для Приморского края как региона с муссонным климатом. Стрессовое влияние ежегодно наблюдающихся в Приморском крае тайфунов и циклонов отрицательно сказывается на продуктивности гречихи. Уровень устойчивости к стрессу растений определяли по разности между минимальной и максимальной урожайностью (У2 – У1). Этот параметр имеет отрицательный знак, и чем его величина меньше, тем выше стрессоустойчивость образца. Самую высокую устойчивость к стрессу проявили две формы – Китавасэ (ММ) и Изумруд х Китавасэ (ММ), полученные в условиях in vitro на среде с 23 мг/л сульфата меди (табл. 2). Средняя урожайность сортов в контрастных (стрессовых и нестрессовых) условиях (У1+У2/2) характеризует их генетическую гибкость [13]. Высокие значения этого показателя указывают на большую степень соответствия между генотипом сорта и факторами среды. Максимальные соотношения между ними отмечены у растений-регенерантов гибрида Изумруд х Китавасэ, толерантных к высокому содержанию сернокислой меди (161 и 184 мг/л). Генетической гибкостью также выделялись регенеранты сорта Китавасэ, толерантные к сульфату меди (46 мг/л).
Экологическую пластичность образцов определяли, оценивая показатели коэффициента регрессии (bi) и вариансы стабильности (S2d) по результатам выращивания в селекционном питомнике в течение трех лет. Полученные толерантные к тяжелым металлам формы различались по адаптивности как от исходных сортов, так и между собой. Расчет параметров экологической пластичности позволил выделить из них наиболее ценные для селекции – формы со значениями коэффициента регрессии (bi) больше единицы и вариансой стабильности (S2d), близкой к нулю. К высокопластичным и стабильным образцам относятся три регенерантные линии, полученные на основе гибрида Изумруд х Китавасэ, толерантные к соли меди (11,5; 161; 184 мг/л). Они наиболее перспективны для селекции сортов интенсивного типа и отзывчивы на высокий уровень агротехники. Четыре образца (исходный сорт Китавасэ), толерантные к сульфату меди (11,5; 60 мг/л) и сульфату цинка (202 мг/л), у которых значение показателя bi близко к единице, S2d близко к нулю, отнесены к пластичным и стабильным. Они способны хорошо адаптироваться к изменяющимся условиям выращивания.
Таким образом, применение метода культуры ткани в сочетании с селективным фактором – повышенными концентрациями ионов меди и цинка в среде позволяет улучшать селекционно-ценные показатели исходных сортов. В результате лабораторной и полевой оценки толерантных к ионам тяжелых металлов форм гречихи отобраны образцы, представляющие интерес для дальнейшей селекции: по продуктивности и крупнозерности – Изумруд (СЦ 404, 606 мг/л), Китавасэ (МЦ 606 мг/л), высокому содержанию рутина в надземной массе – Китавасэ (ММ 46 мг/л+К), Изумруд х Китавасэ (ММ 161 мг/л), адаптивности к климатическим особенностям Приморского края – Изумруд х Китавасэ (М 11,5; 161; 184 мг/л), Китавасэ (ММ 11,5; 60 мг/л), (МЦ 202 мг/л).
Об авторах
Е. Н. Барсукова
Федеральный научный центр агробиотехнологий Дальнего Востока имени А.К. Чайки
Email: alex.klykov@mail.ru
кандидат сельскохозяйственных наук
Россия, Приморский крайА. Г. Клыков
Федеральный научный центр агробиотехнологий Дальнего Востока имени А.К. Чайки
Автор, ответственный за переписку.
Email: alex.klykov@mail.ru
член-корреспондент РАН
Россия, Приморский крайЕ. Л. Чайкина
Тихоокеанский институт биоорганической химии имени Г.Б. Елякова ДВО РАН
Email: alex.klykov@mail.ru
Россия, Приморский край
Список литературы
- Комплексная программа развития биотехнологий в Российской Федерации на период до 2020 года : утв. Правительством РФ от 24.04.2012 № 1853п-П8 [Электронный ресурс]. – URL:http://www. consultant.ru (дата обращения 17.04.2019).
- Государственный реестр селекционных достижений, допущенных к использованию. Т.1. Сорта растений. – М., 2018. – 508с.
- Клыков А.Г., Парская Н.С., Чайкина Е.Л., Анисимов М.М. Продуктивность и качество сортов Fagopyrum esculentum Moench в условиях Приморского края // Российская сельскохозяйственная наука. – 2018. - № 3. – С. 3-6.
- Maksymiec W. Effect of copper on cellular processes in higher plants // Photosynthetica. – 1997. – V. 34. – P. 132 - 342.
- Gebhart E. Chromosome damage in individuals exposed to heavy metals // Toxicological & Environmental Chemistry. – 1984. – V. 8. – P. 253-266.
- Цмокалюк Н.М. Оценка влияния загрязнения почвы тяжелыми металлами на развитие и продуктивность сои в условиях Уссурийского района Приморского края :автореф. дис. … канд. биол. наук. – Владивосток, 2004. – 19с.
- Бессонова В.П. Состояние пыльцы как показатель загрязнения среды тяжелыми металлами // Экология. – 1992. – № 4. – С.45-50.
- Барсукова В.С. Физиолого-генетические аспекты устойчивости растений к тяжелым металлам :аналит. обзор. – Новосибирск, 1997. – 63 с.
- Сергеева Л.Е., Бронникова Л.И. Клеточная селекция с ионами тяжёлых металлов: новые аспекты комплексной устойчивости //Х Международная конференция «Биология клеток растений in vitro и биотехнология» : сб. тез., Казань, 14-18 Октября 2013 г. – Казань, 2013. – С. 82-83.
- Барсукова Е.Н. Клеточная селекция гречихи посевной в условиях ионного стресса //Аграрная Россия. – 2013. – № 10. – C. 2-4.
- Klykov A.G., MoiseenkoL.M., Barsukova E.N. Biological Resources and Selection Value of Species of Fagopyrum Mill. // Molecular Breeding and Nutritional Aspects of Buckwheat. – Elsevier, Academic Press, 2016. – P. 51-60.
- Запрометов М.Н. Фенольные соединения: распространение, метаболизм и функции в растениях. – М: Наука. – 272с.
- Гончаренко А.А. Об адаптивности и экологической устойчивости сортов зерновых культур // Вестник Россельхозакадемии. – 2005. – № 6. – С. 49-53.
- Пакудин В.З. Параметры оценки экологической пластичности сортов и гибридов // Теория отбора в популяциях растений. – Новосибирск, 1976. – С. 178-189.
- Пат. 2538167 RU, МПК А01 4/00. Способ размножения гречихи in vitro / Е.Н. Барсукова; патентообладатель ГНУ Приморский НИИСХ Россельхозакадемии. – № 2013135431; заявл. 26.07.2013; опубл. 10.01.2015, Бюл. № 1.
- Калашникова Е.А. Биологические основы клеточной селекции растений // Доклады ТСХА. – 2003. – Вып. 275. – С. 110-112.
- Pasqualini V., Robles C., Garzino S., Bousquet-Melou A., Bonin G. Phenolic compounds content in Pinushalepensis Mill. Needles: a bioindicator of air pollution // Chemosphere. – 2003. – Vol. 52. – Р. 239-248.
- Костюк В. А., Потапович А. И. Биорадикалы и биоантиоксиданты. – Минск: Изд-во БГУ, 2004. – 179 с.
- Диагностика устойчивости растений к стрессовым воздействиям : метод. руководство / сост. С.Н. Дроздов, Г.В.Еремин, Э.Л. Климашевский и др. – Л.: ВИР, 1988. – 228с.
Дополнительные файлы
