CC BY
62
УДК 633.16: 631.524.85
лабораторный скрининг образцов ячменя из Дагестана по устойчивости к хлоридному засолению
Р.А. АБДУЛЛАЕВ, аспирант
И.А. КОСАРЕВА, кандидат сельскохозяйственных наук, зав. отделом
Е.Е. РАДЧЕНКО, доктор биологических наук, зав. отделом
Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова, ул. Большая Морская, 42, 44, Санкт-Петербург, 190000, Россия
E-mail: [email protected]
Резюме. В лабораторных условиях с использованием рулонного метода оценена ювенильная устойчивость к хлоридному засолению 269 образцов ячменя из Дагестана. Исследования проводили на двух фонах засоления - растворы хлорида натрия с осмотическим давлением 0,7 и 0,9 мПа. Степень уменьшения средней длины корешков в растворе соли рассчитывали по отношению к контролю (без засоления). Проанализированные образцы разделили на три группы: устойчивые, среднеустойчивые и чувствительные. Выявлено 9 местных образцов ячменя, устойчивых к хлоридному засолению при 0,9 мПа (к-13230, к-13236, к-13497, к-18465, к-21770, к-21775, к-21777, к-26295, к-26296), 233 образца проявили себя как среднеустойчивые, 27 образцов характеризовались высокой чувствительностью к солевому стрессу. В растворе соли 0,7 мПа в группу устойчивых вошли 13 форм (к-11475, к-13497, к-13503, к-13505, к-15019, к-15047, к-15252, к-17428, к-21752, к-21773, к-21780, к-21818, к-23785), 229 оказались среднеустойчивыми, 27 образцов чувствительны к засолению. Выявлена существенная средняя коррелятивная связь (r = 0,490) между показателями солеустойчивости при двух уровнях засоления. Вместе с тем лишь один образец местного ячменя к-13497 демонстрировал высокую устойчивость при 0,7 и 0,9 мПа осмотического давления. Различия по устойчивости к стрессору дагестанских ячменей в зависимости от типа развития растений и строения колоса были несущественны. Резистентность яровых ячменей при засолении 0,9 мПа, в сравнении с контролем, составляла в среднем, 48,0%, озимых - 47,6%; степень устойчивости двурядных форм -48,8%, шестирядных - 47,2%; пленчатых и голозерных форм - 48,8 и 47,4%, соответственно. Ключевые слова: ячмень, засоление, устойчивость, лабораторный скрининг, полиморфизм, тип развития, строение колоса.
Для цитирования: Абдуллаев Р.А., Косарева И.А., Радченко Е. Е. Лабораторный скрининг образцов ячменя из Дагестана по устойчивости к хлоридному засолению //Достижения науки и техники АПК. 2015. Т. 29. № 7. С. 24-26.
Ячмень - важная сельскохозяйственная культура, которая занимает четвертое место в мире по посевным площадям (около 90 млн га.) и сбору зерна [1]. В Дагестане его выращивают издревле, причем в некоторых горных районах местные стародавние сорта (ландрасы) возделывают до сих пор, что обусловлено их засухоустойчивостью, высокими пищевыми качествами, экологической пластичностью и продуктивностью. Биологические особенности культуры позволяют собирать урожай зерна в условиях богарного земледелия и короткого вегетационного периода.
Недостаток или избыток химических элементов в почве могут вызывать проявление функциональных заболеваний растений или приводить к нарушению поглощения других веществ. Высокая концентрация
солей в корнеобитаемом слое почв южного Дагестана определяет необходимость поиска форм ячменя, способных давать удовлетворительный урожай в условиях засоления.
Засоление почвы встречается в сухих южных и юго-восточных районах, на берегах морей, солевых озер, источников. Оно связано с наличием в корнеобитаемом слое почвы большого количества солей, преимущественно натриевых. Почва считается засоленной при содержании солей более 0,5%, в таких условиях выращивать сельскохозяйственные культуры нецелесообразно; на среднезасоленной почве (0,2-0,5%) формируются пониженные урожаи, а на незасоленных (0,1-0,2%) - возможно произрастание всех полевых культур [2].
Первопричина угнетения сельскохозяйственных культур при засолении - сверхмерное накопление солей, влекущее за собой повышение осмотического давления в клетках, изменение водного режима и снижение общего содержания свободных радикалов. По мнению ряда авторов, в основе повреждения и гибели растений от высоких концентраций солей в корнеобитаемой зоне лежит не столько затруднение потребления воды, сколько вызываемые поступившими ионами необратимые нарушения обмена веществ [3, 4].
Среди трех известных типов засоления (сульфатное, карбонатное, хлоридное) наиболее токсично -хлоридное, вызывающее сильное угнетение ростовых процессов, а иногда и гибель растений. Устойчивость к высокому содержанию солей в почве изменяется в течение вегетационного периода культур. На ранних стадиях развития они более чувствительны к негативному воздействию. Установлено наличие корреляции уровня солеустойчивости с продолжительностью вегетационного периода сорта и общей интенсивностью ростовых процессов [5].
Повышенная солеустойчивость растений обусловлена, во-первых, исключением Na+ и Cl- из молодых листьев, во-вторых, преимущественно базипеталь-ным передвижением Na+ из листьев и выведением его в субстрат и, в-третьих, ограничением передвижения Cl- из корня в стебель [6]. Жизнеспособность клеточных процессов зависит от поддержания в цитоплазме низкой концентрации Na+ и Cl- и высокого отношения K+/Na+.
Устойчивость растений к засолению рассматривается, прежде всего, как количественный признак, подверженный существенному влиянию условий среды [7]. В то же время показано, что различия между сортами ячменя по солеустойчивости могут контролироваться двумя-тремя ядерными генами [8].
С использованием дигаплоидных популяций идентифицированы локусы количественных признаков (quantitative trait loci - QTL), обусловливающие устойчивость к стрессору при прорастании, в хромосомах 4 (4H), 6 (6H), 7 (5H) линии Steptoe/Morex, а также 5 (1H) и 7 (5H) линии Harrington/TR306. В фазе всходов солеустойчивость контролируют QTL
в хромосомах 2 (2H), 5 (1H), 6 (6H), 7 (5H) у линий Steptoe/Morex и 7 (5H) - у Harrington/TR 306. Устойчивость при прорастании семян и в фазе всходов контролируют разные локусы [9]. С использованием 192 сортов различного происхождения при помощи SNP-маркеров идентифицированы связанные с со-леустойчивостью локусы количественных признаков. Помимо множества QTL, выявлены 2 локуса с выраженным фенотипическим эффектом в хромосомах 4Н и 6Н [10].
Сведения о генетическом контроле признака у взрослых растений скудны. Ellis с соавторами [11], используя гидропонную культуру, при искусственном засолении детектировали 12 QTL, детерминирующих устойчивость в фазе всходов, а также 4 QTL, контролирующих урожайность и содержание азота в зерне.
Во множестве работ продемонстрированы существенные различия образцов ячменя по солеустойчиво-сти, рассматриваются возможные механизмы, прежде всего, ювенильной толерантности [12, 13, 14, 15, 16]. Показано, что шестирядные ячмени более устойчивы к засолению, чем двурядные, голозерные формы, в сравнении с пленчатыми, а озимые ячмени, чем яровые [12, 17, 18].
Цель нашего исследования - оценить диапазон изменчивости дагестанских ячменей по устойчивости к хлоридному засолению в лабораторных условиях.
Условия, материалы и методы. В лабораторных условиях изучали солеустойчивость 269 образцов ячменя из Дагестана. Использовали рулонный метод оценки [19], основанный на учете торможения роста корней в условиях солевого (NaCl) стресса, в сравнении с контролем (без засоления).
Семена изучаемых образцов проращивали 3 сут. в дистиллированной воде, в чашках Петри, помещенных в термостат с температурой 22°С. Затем одинаково развитые проростки раскладывали на листы фильтровальной бумаги, смоченные дистиллированной водой или раствором NaCl. Бумагу с проростками сворачивали в рулоны и помешали в сосуды с водой или раствором соли. Использовали два фона засоления - растворы с осмотическим давлением 0,7 и 0,9 мПа (0,98% и 1,26% NaCl соответственно). На каждый образец заготавливали по шесть рулонов: два помещали в дистиллированную воду (контроль), два - в раствор соли с осмотическим давлением 0,7 мПа и два - в раствор 0,9 мПа. Сосуды с рулонами помещали в термостат с температурой 22°С. На пятые сутки рулоны разворачивали и измеряли длину самого длинного корешка у каждого растения. О степени торможения роста корней судили по отношению среднего значения длины корешков в растворе соли к контролю.
Проанализированные образцы разделяли на три группы: 1- устойчивые; 2 - среднеустойчивые; 3 - чувствительные [20]. К первой группе относили образцы, у которых длина корешков в растворе соли с осмотическим давлением 0,9 мПа, по отношению к контролю, составляла более 60%, при 0,7 мПа - более 70%; ко второй группе - с длиной корешков 40-60% в варианте с давлением 0,9 мПа, 50-70% - при меньшем уровне засоления (0,7 мПа). Остальные образцы считали чувствительными. В качестве стандартов использовали сорта Краснодарский 35 (к-19928) и Одесский 70 (к-22024), отличающиеся, согласно литературным данным [21], высоким уровнем устойчивости к засолению.
Статистическая обработка результатов исследований (тестирование оценочной базы данных, корреляционный анализ) выполнена с помощью программы Microsoft Excel 2010.
результаты и обсуждение. Устойчивыми к хлоридному засолению при 0,9 мПа осмотического давления оказались 9 местных образцов ячменя (табл. 1), 233 формы проявили себя как среднеустойчивые, 27 характеризовались высокой чувствительностью к солевому стрессу.
Таблица 1. образцы ячменя, устойчивые к хлоридному засолению при 0,9 мПа осмотического давления
№ по каталогу ВИР Образец Разновидность Длина корешка по отношению к контролю, %
13230 Местный pallidum 63,2
13236 « « 61,8
13497 « « 63,8
18465 « nudum 60,1
21770 « nutans, pallidum 60,1
21775 « nutans 62,8
21777 « nudum, nutans 63,5
26295 « nutans 60,0
26296 « « 60,2
22024 Одесский 70, nutans
(устойчивый стандарт) 49,5
19928 Краснодарский 35, nutans
(устойчивый стандарт) 53,9
При использовании раствора соли с осмотическим давлением 0,7 мПа к устойчивым отнесены 13 изученных форм (табл. 2), 229 оказались среднеу-стойчивыми, 27 образцов проявили чувствительность к засолению.
Таблица 2. образцы ячменя, устойчивые к хлоридному засолению при 0,7 мПа осмотического давления.
№ по каталогу ВИР Образец Разновидность Длина корешка по отношению к контролю, %
11475 Местный nutans 70,7
13497 « pallidum 75,4
13503 « « 72,5
13505 « « 70,2
15019 « nudum 70,6
15047 « « 70,2
15252 Терский pallidum 71,5
17428 Местный « 70,2
21752 « pallidum, nutans,
nudum 73,8
21773 « pallidum 70,9
21780 « nutans 70,1
21818 « nutans, pallidum 76,8
23785 « nutans 72,3
22024 Одесский 70, nutans
(устойчивый стандарт) 66,1
19928 Краснодарский 35, nutans
(устойчивый стандарт) 68,2
Выявлена существенная коррелятивная связь (г = 0,490) между показателями солеустойчивости дагестанских ячменей на двух фонах засоления. Вместе с тем лишь один образец местного ячменя к-13497 оказался устойчивым при 0,7 и 0,9 мПа осмотического давления. Ранее В.С. Коваль [8] показал слабую корреляцию солеустойчивости коллекционных форм ячменя при использовании растворов хлорида натрия с осмотическим давлением 0,7 и 0,9 мПа, то есть устойчивость к различным уровням засоления могут контролировать разные генетические системы.
Различия по устойчивости к стрессору дагестанских ячменей в зависимости от типа развития растений и строения колоса оказались несущественны. Устойчивость яровых ячменей при засолении 0,9 мПа, в сравнении с контролем, составляла 48,0%, озимых - 47,6%; степень устойчивости двурядных форм - 48,8%, шестирядных - 47,2%; пленчатых и голозерных форм - 48,8 и 47,4%, соответственно.
выводы. Выявлен полиморфизм дагестанских ячменей по устойчивости к неблагоприятному эда-фическому фактору. Выделено 9 новых источников устойчивости ячменя к хлоридному засолению почвы: к-13230, к-13236, к-13497, к-18465, к-21770, к-21775, к-21777, к-26295, к-26296. Установлена несущественность различий образцов ячменя по устойчивости к стрессору в зависимости от типа развития растений и строения колоса.
Литература.
1. Пыльнев В.В., Коновалов Ю.Б., Хупацария Т.И. Частная селекция полевых культур. М.: КолосС, 2005. 552 с.
2. Рубин Б.А. Курс физиологии растений. М.: Высшая школа. 1971. 672 с.
3. Строгонов Б.П., Кабанов В.В., Шевякова Н.И., ЛапинаЛ.П., Комирезко Е.И., Попов Б.А., Достанова Р.Х., ПриходькоЛ.С. Структура и функции клеток растений при засолении. М.: Наука, 1970. 318 с.
4. Лапина Л.П., Соколова Т.В., Строгонов Б.П. Локализация хлора у гликофитов и галофитов при засолении // Физиология растений. 1980. Т. 27. Вып. 2. С. 278-286.
5. Удовенко Г.В. Исследование физиологии устойчивости растений к неблагоприятным условиям среды // Тр. по прикл. бот., ген. и сел. 1975. Т. 56. Вып. 1. С. 154-161.
6. йоневаЖ., Петров-Спиридонов А.Е. Биометрические показатели и осмотический потенциал органов растений в условиях хлоридного засоления //Известия ТСХА. 1985. Вып. 3. С. 120-125.
7. Winicov I. New molecular approaches to improving salt tolerance in crop plants//Ann. Bot. 1998. V. 82. № 6. P. 703-710.
8. Коваль В.С. Закономерности изменчивости и наследования солеустойчивости ячменя: Автореф. дис. ... канд. биол. наук. Новосибирск: ИЦИГ, 1993. 18 с.
9. Mano Y., Takeda K. Mapping quantitative trait loci for salt tolerance at germination and at the seedling stage of barley (Hordeum vulgare L.) //Euphytica. 1997. V. 94. № 3. P. 263-272.
10. Association mapping of salt tolerance in barley (Hordeum vulgare L.) / N.V. Long, O. Dolstra, M. Malosetti, B. Kilian, A. Graner, R.G.F. Visser, C.G. Van derLinden//Theor. Appl. Genet. 2013. V. 126. № 9. P. 2335-2351.
11. Phenotype/genotype associations for yield and salt tolerance in a barley mapping population segregating for two dwarfing genes /R.P. Ellis, B.P. Forster, D.C. Gordon, L.L. Handley, R.P. Keith, P. Lawrence, R. Meyer, W. Powell, D. Robinson, C.M. Scrimgeour, G. Young, W.T. Thomas// J. Exp. Bot. 2002. V. 53. № 371. P. 1163-1176.
12. Greenway H. Plant response to saline substrates. I. Growth and ion uptake of several varieties of Hordeum during and after sodium chloride treatment//Austr. J. Biol. Sci. 1962. V. 15. № 1. P. 16-38.
13. Greenway H. Plant response to saline substrates. VII. Growth and ion uptake throughout plant development in two varieties of Hordeum vulgare //Austr. J. Biol. Sci. 1965. V. 18. № 4. P. 763-779.
14. Effect of saline irrigation on germination and growth parameters of barley (Hordeum vulgare L) in a pot experiment / G. Hussain, A.A. Al-Jaloud, S.A. Al-Shammary, S. Karimulla, S.O. Al-Aswad // Agric. Water Managm. 1997. V. 34. № 2. P. 125-135.
15. Effect of salts on germination of seeds and growth of young plants of Hordeum vulgare, Triticum aestivum, Cicer arietinum and Brassica juncea/R.K. Mer, P.K. Prajith, D.H. Pandya, A.N. Pandey// J. Agron. Crop. Sci. 2000. V. 185. № 4. P. 209-217.
16. Differences in physiological traits among salt-stressed barley genotypes / Y. Huang, G. Zhang, F. Wu, J. Chen, M. Zhou // Commun. Soil Sci. Plant Anal. 2006. V. 37. № 3-4. P. 557-570.
17. Mano Y., Nakazumi H., Takeda K. Varietal variation in and effect of some major genes on salt tolerance at the germination stage in barley // Breed Sci. 1996. V. 46. P. 227-233.
18. Баташева Б.А., Абдуллаев Р.А. Устойчивость ячменя к биотическим и абиотическим стрессорам в условиях Южного Дагестана // Идеи Н.И. Вавилова в современном мире. Тезисы докладов III Вавиловской международной конф. С.-Петербург, 6-9 ноября 2012 г. СПб. 2012. С. 83.
19. Удовенко Г.В., Волкова А.М. Определение в раннем возрасте солеустойчивости зерновых злаков по комплексу ростовых параметров//Методические указания. СПб.: ВИР, 1993. 15 с.
20. Давыдова Г.В., Коваль В.С., Лукьянова М.В. Ячмень. Характеристика селекционных и местных сортов на солеустойчивость //Каталог мировой коллекции ВИР. Вып. 605. Л.: ВИР, 1991. 32 с.
21. Семушина Л.А. определение солеустойчивости ячменя // Методические указания. Л.: ВИР, 1980. 14 с.
LABORATORY SCREENING OF BARLEY SAMPLES FROM DAGESTAN FOR RESISTANCE
TO CHLORIDE SALINIZATION
R^. Abdullaev, !.А Kosareva., E.E. Radchenko
Federal Research Center the N.I. VavilovAll-Russion Institute of Plant Genetic Resources, B. Morskaya, 42, 44, St. Petersburg, 190000, Russia
Summary. The juvenile resistance to chloride salinization among 269 barley samples from Dagestan was estimated using paper roll method under laboratory conditions. Sodium chloride solutions with osmotic pressure of 0.7 and 0.9 MPa were used as two salinization backgrounds. The degree of reduction of root average length in the salt solution was calculated relative to the control (the background without salinization). The examined samples were separated for three groups: resistant samples, medium resistant and sensitive ones. Nine local samples of barley, resistant to chloride salinization at 0.9 MPa were selected (K-13230, K-13236, K-13497, K-18465, K-21770, K-21775, K-21777, K-26295, K-26296); 233 samples were medium resistant and 27 samples were characterized by high sensitivity to salt stress. In 0.7 MPa salt solution 13 forms belonged to resistant group (K-11475, K-13497, K-13503, K-13505, K-15019, K-15047, K-15252, K-17428, K-21752, K-21773, K-21780, K-21818, K-23785); 229 samples were medium resistant and 27 samples were sensitive to salinization. A significant average correlation (r = 0.490) between salt resistance indices at two salinization levels was found. At the same time only one barley sample K-13497 demonstrated high resistance at the osmotic pressure 0.7 and 0.9 MPa. Differences in resistance to the stressor of Dagestan barley depending on plant development type and ear structure were insignificant. The resistance of spring barley at 0.9 MPa salinization in comparison with control was in average 48.0 %, that of winter ones - 47.6 %, the degree of resistance of distichous forms was 48.8 %, that of hexastichous ones - 47.2 %, for scarious and bare-grained forms it was 48.8 % and 47.4 % respectively.
Key words: barley, salinization, resistance, laboratory screening, polymorphism, plant development type, ear structure.
Author Details: R.A. Abdullaev, Post-graduate student (e-mail: [email protected]); I.A. Kosareva, Cand. Sc. (Agr.), Head of Division;
Е.Е. Radchenko, Dr. Sc. (Biol.), Head of Division.
For citation: Abdullaev R.A., Kosareva I.A., Radchenko Е.Е. Laboratory screening of barley samples from dagestan for resistance to chloride salinization. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2015. V. 29. № 7. pp. 24-26 (In Russ).
