ВАРИАБЕЛЬНОСТЬ ОТНОСИТЕЛЬНОГО СОДЕРЖАНИЯ ПИГМЕНТОВ В НЕЛИСТОВЫХ ОРГАНАХ ОЗИМОЙ РЖИ В УСЛОВИЯХ ЭДАФИЧЕСКОГО СТРЕССА

УДК 633.14:630*164.5:630*181.34
ВАРИАБЕЛЬНОСТЬ ОТНОСИТЕЛЬНОГО СОДЕРЖАНИЯ ПИГМЕНТОВ В НЕЛИСТОВЫХ ОРГАНАХ ОЗИМОЙ РЖИ В УСЛОВИЯХ ЭДАФИЧЕСКОГО СТРЕССА*
Е.М. ЛИСИЦЫН, доктор биологических наук, зав. отделом
НИИСХ Северо-Востока Россельхозакадемии,
Е-шаИ: edaphic@mail.ru
Резюме. Основной орган фотосинтеза наземных растений - лист. Кроме того, хлоропласты присутствуют в стеблях и влагалищах листьев. Цель представленной работы - изучить вариабельность селекционного материала озимой ржи по соотношению содержания пигментов в листовых и нелистовых органах верхней части растений и оценить возможность использования этого разнообразия в селекции. В 2009-2010 гг. у растений 12 сортов озимой ржи различного эколого-географического происхождения в условиях нейтрального и алюмокислого почвенныхучастков в период начала цветения отбирали пробы флаговых листьев и верхнего междоузлия и оценивали содержание в них фотосинтетических пигментов. При переходе от нейтральных к кислым условиям роста в целом отмечено повышение относительного содержания пигментов в верхнем междоузлие:хлорофилла а - на105 %, хлорофилла б - на 120 %, каротиноидов - на123 %. Значительное увеличение содержания пигментов в верхнем междоузлии относительно флагового листа при действии стрессора наблюдалось у сортов Рушник (на 40...50 %), Фаленская 2(на97...180 %), Кипрез (на 12...85%) иЛеда (на 9.20 %). У растений этих сортов, вероятно, возрастают затраты пластических веществ на подержание и развитие вегетативных органов, что снижает их вклад в создание хозяйственно-ценного продукта. Сорта Фарет, Графиня и Флора в стрессовых условиях снижают относительные расходы на поддержание фотосинтеза в нелистовых органах и усиливают синтез веществ, направляемых на развитие репродуктивных органов (соответственно на 6,17и 30 %). Наличие естественной вариабельности по реакции фотосинтетического аппарата листовых и нелистовых органов на эдафический стресс указывает на возможность целенаправленного отбора и использования в селекции образцов, перестраивающих работу ассимиляционного аппарата на преимущественное обеспечение выхода хозяйственно-ценной части урожая. Ключевые слова: озимая рожь, алюминий, стресс, пигмент, хлорофилл, каротиноиды, селекция
По мнению ряда авторов [1] оценка фотосинтетических функций и структур должна быть неотъемлемой частью изучения продуктивности селекционного материала. По содержанию хлорофилла в листьях можно судить о степени развития фотосинтетического аппарата и физиологическом состоянии растений, о потенциальной возможности растении формировать урожай [2]. Кроме того, изменение количества хлорофилла может быть частью адаптивного ответа [3] на стрессовое воздействие.
У наземных растений основным органом фотосинтетической деятельности служит лист, в котором локализованы специализированные структуры клетки - хлоропласты, содержащие пигменты и другие компоненты, необходимые для поглощения и преобразования энергии. Именно листовые пластинки в наибольшей степени подвергаются интенсивным изменениям в условиях экологического стресса. При этом следует иметь в виду, что лист - это основной, но не единственный фотосинтезирующий орган растения. Функционально активные хлоропласты присутствуют в стеблях растений, влагалищах листьев, остях и чешуях колоса.
Многочисленные исследования показывают, что начиная с фазы колошения ведущее значение в снабжении
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ проект 09-04-13644-офи_ц
колоса (метелки) ассимилятами приобретают органы самого верхнего междоузлия, причем лидирующая роль принадлежит флаговому листу [4].
Фотосинтез зеленых нелистовых органов растения искажает видимую роль листьев в продукционном процессе. По мнению [5], нелистовые органы - основной резерв повышения продуктивности фотосинтеза в репродуктивный период. Результаты многочисленных исследований сельскохозяйственных культур указывают на то, что их вклад в определенные периоды может превышать вклад фотосинтеза листьев. Например, в исследованиях [6] было установлено, что в условиях Кировской области (где почвенный покров представлен в основном кислыми дерново-подзолистыми почвами) в зависимости от сорта растения ячменя в период колошения - начала созревания зерна в стеблях и влагалищах листьев содержится 26...35 % пигментов, в остях - 41...57 %, в колосе - 6.10 % от их количества в подфлаговом листе. Содержание каротиноидов в нелистовых органах в 57 раз меньше, чем в листовых пластинках.
Но, по мнению [7], роль нелистовых органов, скорее всего, ограничена реассимиляцией СО2, который выделяется в ходе собственного дыхания, так как в этих органах идут процессы реутилизации первично запасенных продуктов фотосинтеза в виде полисахаридов и азотсодержащих веществ. Из-за отсутствия у нелистовых органов специализированных систем экспорта сахарозы (основного «транспортного» продукта фотосинтеза) образующиеся в них продукты фотосинтеза почти не поступают в другие части растения [7]. Ассимиляты, образовавшиеся в стебле, почти не используются в дыхании, а их углерод сохраняется в конечных продуктах фотосинтеза [8]. Таким образом, предположение о существенном вкладе фотосинтеза нелистовых органов в ассимиляции СО2 растением в целом не подтвердилось. Тем не менее, исследование роли нелистовых органов полезно при анализе структуры фотосинтетического аппарата целого растения [9] и при выяснении значения процессов реассимиляции продуктов фотосинтеза, запасенных в нелистовых органах, в формировании хозяйственно важной части урожая.
Кислые дерново-подзолистые почвы европейского северо-востока России представляют собой стрессовый эдафический фон для сельскохозяйственных растений. Поскольку изучение влияния кислотности почвы на относительное содержание пигментов в разных частях растений до сих пор не вызывало интереса у исследователей и селекционеров, мы определили вариабельность селекционного материала озимой ржи (Secale сегеа1е Ь.) по соотношению содержания пигментов в листовых и нелистовых органах верхней части растений и оценили возможность использования этого разнообразия в практической селекции.
Условия, материалы и методы. Для проведения исследований в течение вегетационных сезонов 20092010 гг. у 12 сортов озимой ржи различного эколого-географического происхождения в условиях нейтрального (рН 6,5, следы подвижного алюминия) и кислого (рН 3,8, содержание подвижного алюминия около 16 мг/100 г почвы) почвенных участков Фаленской селекционной станции НИИСХ Северо-Востока в период колошения - на- 29
чала цветения отбирали пробы флаговых и подфлаговых листьев, а также верхнего междоузлия с 20 растений каждого сорта на обоих вариантах почвенного фона.
Содержание фотосинтетических пигментов (хлорофилл a, хлорофилл б, каротиноиды) оценивали с использованием спектрофотометра UVmini-1240. Выделение пигментов и расчет их содержания проводили по методике [10]. Данные обрабатывали статистически с использованием табличного процессора Microsoft Office Excel 2007.
Результаты и обсуждение. Доля содержания фотосинтетических пигментов (хлорофиллов и каротиноидов) в верхнем междоузлии у разных сортов озимой ржи значительно варьирует. Так, на нейтральном почвенном фоне концентрация хлорофилла а может изменяться от 16,7 (сорт Фаленская 2) до 35,4 (Ниоба) % от его содержания во флаговом листе (см. табл.); хлорофилла б - от 13,3 (Фаленская 2) до 35,9 (Ниоба) %; каротиноидов - от 13,9 (Фаленская 2) до 43,9 (Фарет) %. При снижении рН почвенного раствора до 3,8...4,0 (кислый участок) доля хлорофиллов в стебле несколько повышается. Нижняя и верхняя границы для хлорофилла а достигают от 22,7 (Флора) до 44,8 (Рушник) %; хлорофилла б - от 24,7 (Сэра 2) до 60,5 (Фаленская 4) %; каротиноидов - от 6,2 (Флора) до 79,2 (Фаленская 4) %.
Таблица. Содержание фотосинтетических пигментов в верхнем междоузлии растений озимой ржи относительно флагового листа, % (2009-2010 гг.)
сорт Хлорофилл а Хлорофилл б Каротиноиды
н* к н к н к
Флора 32,5 22,7 34,2 33,0 32,2 6,2
Сэра 2 26,4 26,3 23,2 24,7 20,2 16,8
Рушник 30,1 44,8 31,1 43,7 27,4 38,0
Фаленская 4 31,6 33,1 32,6 60,5 26,3 79,2
Фарет 26,2 24,6 27,4 45,2 43,9 41,2
Сармат 28,9 31,2 33,7 30,0 25,7 23,1
Графиня 33,7 28,0 31,3 27,7 23,6 30,1
Фаленская 2 16,7 36,4 13,3 37,3 13,9 27,3
Кировская 89 28,9 28,6 28,4 42,2 29,3 9,2
Ниоба 35,4 37,3 35,9 40,7 36,8 36,7
Кипрез 28,4 31,8 26,7 33,5 17,9 33,0
Леда 26,2 29,3 26,7 32,0 24,7 27,1
*н - нейтральный почвенный фон, к - кислый почвенный фон.
При переходе от нейтральных к кислым условиям роста в целом для изучаемого набора сортов было характерно повышение относительного содержания пигментов в нелистовом органе (верхнее междоузлие). Среднее увеличение концентрации хлорофилла а составило 105 %, хлорофилла б - 120 %, каротиноидов - 123 %. На основании этого можно предположить, что в условиях действия эдафических стрессоров растения повышают затраты на подержание вегетативных структур за счет относительного снижения развития генеративных органов.
В то же время выделяются отдельные сорта, у которых, наоборот, относительное содержание пигментов в нелистовом органе снизилось - то есть преобладало относительное развитие колоса. Так, количество хлорофилла а в верхнем междоузлии (относительно флагового листа) растений сортов Фарет, Графиня и Флора уменьшилось соответственно на 6, 17 и 30 %.
Относительная концентрация хлорофилла б понизилась в меньшей степени - всего на 5.. .10 % (сорта Флора, Графиня и Сармат), при этом его повышение у сортов Фаленская 4, Фарет и Кировская 89 составило 50.85 %.
Относительное содержание вспомогательных пигментов - каротиноидов - резко снизилось у сортов - Флора (на 80 %) и Кировская 89 (на 70 %), а у сортов Сэра 2, Фарет и Сармат - на 10.17 %.
Значительное повышение содержания всех трех пигментов в верхнем междоузлии относительно флагового листа при действии стрессора наблюдалось у сортов Рушник (на 40.50 %), Фаленская 2 (на 97.180 %), Кипрез (12.85 %) и Леда (9.20 %). У сортов Сэра-2, Фаленская 4, Сармат, Кировская 89 и Ниоба эдафиче-ский стресс не изменил относительного содержания основного фотосинтетического пигмента - хлорофилла а - в междоузлие и флаговом листе.
Учитывая, что продукты фотосинтеза нелистовых органов практически не используются для роста репродуктивных органов, а сам процесс требует определенных затрат минеральных веществ и энергии, можно предположить, что у растений тех сортов, которые в стрессовых условиях снижают относительное содержание пигментов в верхнем междоузлии (относительно флагового листа,
ассимиляты из которого идут на рост семян), процессы метаболизма и утилизации минеральных веществ перестраиваются в пользу генеративных органов (важных с хозяйственной точки зрения).
Напротив, при повышении относительного содержания пигментов в междоузлии, возрастают затраты на подержание и развитие вегетативных частей растений, что снижает возможный вклад пластических веществ в создание хозяйственно-ценного продукта.
Выводы. Анализ реакции пигментного аппарата 12 сортов озимой ржи на эдафический стресс, вызванный ионами алюминия, показал разные типы стратегий его перестройки. Выделены сорта, которые в условиях стрессового воздействия снижают относительные расходы на поддержание фотосинтеза в нелистовых органах (междоузлии) и усиливают синтез пластических веществ, направляемых на развитие репродуктивных органов, - это Фарет, Графиня и Флора. Наличие естественной вариабельности по реакции фотосинтетического аппарата листовых и нелистовых органов на эдафический стресс указывает на возможность целенаправленного отбора и использования в селекционном процессе тех образцов, которые в условиях стрессового воздействия перестраивают работу ассимиляционного аппарата растения на преимущественное обеспечение выхода хозяйственно-ценной части урожая.
Литература.
1. Крутенко Д.В., Гончарова Ю.К., Гронин В.В., Очкас Н.А., Литвинова Е.В., Тарасов Я.В. Перспективы молекулярного маркирования признаков, отвечающих за фотосинтетические показатели у риса //Аграрная наука в XXI веке: проблемы и перспективы. Материалы III Всероссийской научно-практической конференции. - ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ»: Саратов, 2009.
2. Alonso M., Rozados M.J., Vega J.A., Perez-Gorostiaga P., Cuinas P., Fonturbel M.T., Fernandes C. Biochemical responses of Pinus pinaster trees to fire-induced trunk girdling and crown scorch: secondary metabolites and pigments as needle chemical indicators // J. Chem. Ecol. - 2002. - V. - 28.
3. Щенникова И.Н., Кокина Л.П., Лисицын Е.М. Изменение пигментного комплекса флаговых листьев ячменя под действием эдафического стресса //Аграрная наука Евро-Северо-Востока. - 2010. - №1(16). - С. 24-28.
4. Беденко В.П., Коломейченко В.В. Основы продукционного процесса растений. - Орел: Изд. дом «Орлик», 2003. - 260 с.
5. Чайка М.Т., Михайлова С.А., Климович А.С. Адаптационная изменчивость организации фотосинтетического аппарата ячменя в посевах разной плотности // Факторы среды и организация первичного процесса фотосинтеза. - Киев, 1989. - С.91-96.
6. Головко Т.К., Родина Н.А., Куренкова С.В., Табаленкова Г.Н. Ячмень на Севере (селекционно-генетические и физиолого-биохимические основы продуктивности). - Екатеринбург: УрО РАН, 2004. - 155 с.
7. Чиков В.И. Эволюция представлений о связи фотосинтеза с продуктивностью растений// Физиология растений. - 2008.
- Т.55. - С.140-154.
8. Чиков В.И., Бакирова Г.Г., Иванова Н.П., Нестерова Т.Н., Чемикосова С.Б., Горшкова Т.А., Лозовая В.В. Усвоение меченого углерода отдельными частями льна-долгунца и его распределение // Физиология и биохимия культ. растений. - 1997.
- Т. 29. - С. 93-99.
9. Лисицын Е.М. Пигментный комплекс озимой ржи в условиях эдафического стресса // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. - 2011. - № 3. - С.9-13.
10. Lichtenthaler H.K., Bushmann C. Chlorophylls and carotenoids: measurement and characterization by UV-VIS spectroscopy // Current Protocols in Food Analytical Chemistry. - 2001. - F4.3.1-F4.3.8.
VARIABILITY OF THE RELATIVE CONTENTS OF PIGMENTS IN NON-FOLIAR ORGANS OF WINTER
RYE UNDER CONDITIONS OF EDAPHIC STRESS
E.M. Lisitsyn
Summary. The leaf serves as the basic organ of photosynthesis for terrestrial plants. Except for it chloroplasts are present at stem and vaginas of leaves. The purpose of work - to study variability of a selection material of a winter rye on a ratio of content of pigments in foliar and non-foliar organs of the top part of plants and to estimate an opportunity of use of this variety in selection. Samples of flag leaves and top internodes of plants of twelve varieties of a winter rye of various eco;ogical-geographical origin were selected in 2009.. .2010 under conditions of neutral and aluminum-acid soil sites at beginning of flowering; the content of photosynthetic pigments in them is estimated. At change of growth conditions from neutral to acid soils increase of the relative content of pigments in top internode is noted as a whole: a chlorophyll a - by105%, a chlorophyll b - by 120%, and carotenes - by 123%. Substantial increase of the pigment contents in top internode in comparison with flag leaf under action of stressor was observed for varieties Rushnik (by 40.50%), Falenskaya-2 (by 97.180%), Kiprez (by 12.85%), and Leda (by 9.20%). At plants of these varieties, possibly, expenses on maintenance and development of vegetative organs raise, that reducing the contribution to creation of an economic-valuable product. Varieties which reduce relative charges on maintenance of photosynthesis in non-foliar bodies and strengthen synthesis of the plastic substances directed on development of reproductive organs under stressful conditions are allocated - Faret, Graphynya, and Flora (accordingly by 6, 17 and 30%). Presence of natural variability on reaction of the photosynthetic device of foliar and non-foliar organs on edaphic stress pointed out an opportunity of purposeful selection and use in breeding work of the samples that reconstruct activity of the assimilative device on primary maintenance of an output of an economic-valuable part of a crop. Key words: winter rye, aluminum, stress, pigment, chlorophyll, carotenoids, selection.
УДК 633.14:631.527:581.19
СЕЛЕКЦИЯ ЗЕРНОФУРАЖНОЙ ОЗИМОЙ РЖИ
В.Д. КОБЫЛЯНСКИЙ, доктор биологическихнаук, главный научный сотрудник
О.В. СОЛОДУХИНА, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник
ВНИИ растениеводства им. Н. И. Вавилова Россель-хозакадемии
E-mail: v.kobylyansky@vir.nw.ru
Резюме. Использование зерна ржи на корм животным ограничено присутствием в нем большого количества водорастворимых пентозанов, представленных арабинозой и ксилозой, входящими в состав некрахмальных полисахаридов. Зерно ржи содержит в 2-2,5 раза больше водорастворимыхарабиноксиланов (ВАК), чем зерно других зерновых культур. Изучено 400 образцов коллекции озимой ржи из генофонда ВИР. Размах изменчивости содержания ВАК находится в пределах 1,5.3,0 %, чего недостаточно для селекции малопентозановой ржи. Однако популяции этой культуры содержат в своем составе единичные малопентозановые формы растений (0,5.1,0 %). Дифференциацию популяций ржи на отдельные генотипы можно осуществлять разработанным и представленным в статье методом, с помощью которого в пределах популяций разных сортов выявлено более 90 источников малого содержания ВАК в зерне, пригодныхдля использования в селекции. Предварительное анатомо-морфологическое изучение зерновки ржи с малым содержанием ВАК показало уменьшение толщины перикарпия на40.50 %. Большой размах биотипов в популяциях ржи подоле оболочекот массы всей зерновки открывает возможность для отбора «тонкопокровных» форм. Сопряженность факторов малое содержание ВАК и малая толщина оболочек взаимно обусловлена. Наличие такой связи позволило сформулировать стратегию селекции малопентозановой ржи: «Селекция ржи на
снижение количества водорастворимыхарабиноксиланов в зерне возможна путем уменьшения доли оболочек в составе зерновок при улучшении химического состава эндосперма». Снижение доли оболочек в составе зерновки одновременно с сокращением содержания общих и водорастворимыхарабиноксиланов автоматически приводит кувеличению натуры зерна, содержания белка, жира и крахмала, уменьшению выхода отрубей и росту выхода муки. Низкое содержание водорастворимых пентозанов в зерне ржи не ухудшает его хлебопекарных качеств. Все это увеличивает питательную, биологическую и технологическую ценность зерна ржи. С использованием указанной стратегии получен селекционный материал, пригодный для формирования популяций ржи с малым содержанием ВАК в зерне. На его основе созданы 7 популяций (предсортов) зернофуражной озимой ржи. Семена популяций «предсортов» переданы в научно-исследовательские учреждения РФ для дальнейшего размножения, изучения кормовой ценности и последующего испытания, а также для развития нового направления в селекции озимой ржи. Ключевые слова: рожь, стратегия селекции, наследование, доноры, «предсорта», водорастворимые пентозаны (арабиноксиланы).
Современное производство концентрированныхкормов для сельскохозяйственных животных основано, преимущественно, на зерне пшеницы, тритикале, ячменя и кукурузы. Зерно ржи, несмотря на его превосходство по содержанию и качеству аминокислотного состава белков, используется в пределах 10 % от его валового сбора [1, 2].
Главным препятствием для употребления зерна современных сортов ржи на корм животным, особенно с однокамерным желудком (свиньи, птицы), служат