Синтетические пшеницы с привлечением генетического потенциала Aegilops L. широко используются в селекционных программах ведущих центров мира, что способствует существенному расширению генотипического разнообразия исходного материала и получению новых урожайных с высоким качеством зерна форм пшеницы [1; 2]. В настоящее время повышение потенциала продуктивности достигается в основном за счет создания сортов, способных производить максимальное число полноценных зерен на единицу площади [3]. Обогащением и совершенствованием генов культурной пшеницы за счет гибридизации между дикими сородичами – Aegilops squarrossa (2n = 14 DD), T. dicoccum (2n = 28, AABB) или T. durum (2n = 28, AABB) – создается устойчивая к неблагоприятным условиям окружающей среды синтетическая гексаплоидная пшеница (2n = 42, AABBDD). В настоящее время считается установленным, что донором генома D является Ae. sguarrossa L. Благодаря геному D, имеющему большое эволюционное значение для пшеницы, гексаплоидные виды формируют доброкачественную клейковину и высокую зимостойкость, что повышает их производственное значение, способствует широкому распространению [4].
Потребность в устойчивых и адаптированных сортах растений предопределила необходимость изучения ответных реакций растений на воздействие неблагоприятных условий среды, последствий старения семян разных видов и сортов растений [5]. Известно, что семена, которые лучше переносят неблагоприятные условия ускоренного искусственного старения, более устойчивы к абиотическим стрессорам при прорастании [6].
Семена подвергаются процессам старения, что ограничивает их жизнеспособность и в итоге вызывает потерю способности прорастать. Хранение семян – важный научный вопрос, связанный с устойчивостью семян к множеству факторов, как внутренних (генетических, структурных, физиологических), так и внешних (микрофлора, температура и влажность). Использование метода ускоренного старения, представляющего собой содержание семян в условиях повышенной влажности и температуры воздуха, позволяет моделировать условия неблагоприятного хранения посевного материала [5] и производить быструю и эффективную оценку силы роста зерновых культур в лабораторных условиях. У семян процесс старения заключается в физиолого-биохимических изменениях, происходящих при неблагоприятных условиях хранения, в накоплении ингибиторов роста и токсичных продуктов метаболизма [7; 8]. При ускоренном старении в условиях высокой влажности и температуры воздуха действие свободных радикалов и перекисное окисление липидов приводит к деградации структуры мембран и целостности ДНК, а также сопровождается снижением активности большинства ферментов в клетке [5; 9]. При старении воздушно-сухих семян в процессе длительного хранения происходят в основном неферментативные реакции, не требующие присутствия большого количества воды [9]. По мере старения активность антиоксидантов семян значительно снижается, тогда как электрическая проводимость семян значительно увеличивается [10].
Цель исследования заключалась в сравнительной оценке устойчивости образцов синтетической пшеницы японского происхождения к искусственному ускоренному старению по показателям всхожести семян, поражаемости семян болезнями и содержанию белка в семенах.
Материал и методы исследования
13 образцов гексаплоидной синтетической пшеницы японского происхождения, полученные из CIMMYT, были интродуцированы на Опытной Станции (Джалилабад) Института Земледелия МСХ Азербайджана: № 59 LANGDON/ AE.sq – 929, № 60 LANGDON/IG – 48042, № 61 LANGDON/IG – 126387, № 62 LANGDON/ KU – 2092, № 64 LANGDON/KU – 2098, № 65 LANGDON/KU – 2100, № 66 LANGDON/KU – 2105, № 67 LANGDONKU – 2159, № 68 LANGDON/KU – 2829A, № 69 LANGDON/KU – 20-10, № 70 LANGDON/KU – 2078, № 71 LANGDON/KU – 2079, № 72 LANGDON/PI – 499262 и стандартный сорт Безостая-1 (№ 73). По 200 семян каждого из 13 образов были состарены, 100 из которых были посажены в чашки Петри по 50 семян в двух повторах, а 100 семян были перемолоты для анализа содержания белка. Также проводился анализ содержания белка в контрольных семенах.
Стресс ускоренного старения семян заключался в 3-дневном содержании семян в условиях повышенной относительной влажности (95%) и температуре воздуха (40 ºC) [5], что позволяет моделировать воздействие неблагоприятных факторов и прогнозировать их влияние на устойчивость семян различных сортов и образцов растений. Оценка жизнеспособности проводилась по тесту лабораторной всхожести семян, выражаемой в процентах от общего числа посаженных семян (n) [11]:
G = (А ×100%) / n,
где А – число взошедших семян.
Оценка поражаемости семян проводилась по общепринятой методике [1]. Для оценки степени поражения состаренных семян плесневыми грибами в лабораторных условиях в каждом варианте опыта подсчитывали количество пораженных семян. Контролем служили необработанные семена.
Cодержание белка в семенах измерялось классическим химическим методом Къельдаля в соответствии с международными стандартами (к 0,3–0,5 г тонкомолотого образца добавляли 5–7 мл серной кислоты и 1 г катализатора, поэтапно кипятили, после чего титровали и определяли содержание азота) [12].
Результаты исследования и их обсуждение
Для оценки функциональных нарушений жизнеспособности семян при ускоренном старении, как и во всех предыдущих опытах, нами использовался такой интегральный показатель, как их всхожесть (рис. 1) [11]. В контрольном варианте опыта всхожесть семян изучаемых образцов варьировала в пределах 84,0–98,0%. Для образца № 68 LANGDON/KU-2829A отмечен самый низкий показатель всхожести семян. Высокие показатели всхожести были характерны для образцов № 71 LANGDON/KU-2079, № 72 LANGDON/PI 499262 и стандартного сорта Безостая-1.
Как известно, старение семян любых видов растений активизируется при повышении влажности и температуры, при которой хранятся семена, при наличии механических повреждений, в зависимости от зрелости семян, при наличии микрофлоры. Губительное действие ускоренного старения на всхожесть семян неоспоримо, однако нас интересовал сравнительный анализ ответной реакции каждого образца синтетической пшеницы на стресс.
Анализ всхожести семян 14 образцов синтетической пшеницы показал, что ускоренное старение подавляло прорастание семян. Причем у различных образцов это ингибирование проявлялось в разной степени. Так, у образцов № 64 LANGDON/KU-2098 и № 67 LANGDON/KU-2159 отмечено максимальное понижение всхожести семян (на 88,0%), а для образца № 66 LANGDON/KU-2105 потеря всхожести составила 46,0%, что в два раза меньше, чем у более чувствительных образцов. Для остальных изучаемых образцов было характерно падение всхожести в пределах 62,0–76,0%.
Положительная температура хранения семян ускоряет физиолого-биохимические процессы, происходящие в семенах, что способствует развитию грибной инфекции, что в свою очередь приводит к снижению качества семян. Согласно литературным данным, чем меньше семена заражены патогенными грибами, тем выше энергия прорастания и всхожесть семян [13]. Семена всех образцов, привлеченных к опыту, были получены с растений, выращенных в идентичных почвенно-климатических условиях, а также содержались и проращивались в одинаковой среде.
В процессе проращивания семян синтетической пшеницы было отмечено их поражение сапротрофными плесневыми грибами родов Mucor spp. и Penicillium spp. (рис. 2). Известно, что геном D несет в себе восприимчивость к болезням [1]. В нашем эксперименте в контрольном варианте опыта поражение семян патогенами наблюдалось у всех образцов, но в разной степени. Наиболее восприимчивым оказался образец № 70 LANGDON/KU-2078 (38,0%), устойчивым же себя проявил образец № 72 LANGDON/PI499262 (6,0%).
Рис. 1. Всхожесть контрольных и искусственно состаренных семян генотипов синтетической пшеницы японского происхождения и стандартного сорта пшеницы Безостая-1
Рис. 2. Поражаемость болезнями контрольных и искусственно состаренных семян генотипов синтетической пшеницы японского происхождения и стандартного сорта пшеницы Безостая-1
Для исследования степени инфицирования состаренных семян исследуемых образцов синтетической пшеницы также была проведена их фитопатологическая оценка. Так, сильно восприимчивым к болезням при ускоренном состаривании оказался образец № 64 LANGDON/KU-2098 (92,0% пораженных семян), наиболее устойчивым же образец № 66 LANGDON/KU-2105 (46,0% пораженных семян), причем для этого образца отмечено наименьшее увеличение процента пораженных семян по сравнению с контрольным вариантом (на 36,0%). Количество пораженных семян у образца № 70 LANGDON/KU-2078 увеличилось на 44,0%, а у образца № 72 LANGDON/PI499262 с 6,0% до 64,0%, на 58,0%.
Сопоставление результатов анализа всхожести семян после их искусственного состаривания и степени пораженности позволило выявить образец № 66 LANGDON/KU-2105, устойчивый как к стрессу старения, так и к инфицированию патогенами.
Далее представлял интерес анализ изменения содержания белка в семенах синтетической пшеницы японского происхождения до и после воздействия стресса (таблица). Согласно литературным данным, понижение жизнеспособности семян часто связано с расходованием белков и углеводов. При соответствующих условиях хранения содержание этих веществ в семенах изменяется слабо. При сухом хранении жизнеспособность семян может снижаться в результате постепенной коагуляции белков зародышей [14]. При повышенных значениях влажности и температуры хранения коагуляция превращает их в нерастворимую белковую массу. Приводящая к блокированию энзиматической системы денатурация нарушает метаболизм, в результате чего снижается энергия прорастания и всхожесть семян [12]. Считается, что активные формы кислорода инициируют старение семян за счет разрушения клеточной мембраны, фосфолипидов, структурного и функционального ухудшения белков. У пшеницы в ходе естественной эволюции наиболее многочисленными и конкурентоспособными оказались генотипы со средним содержанием белка в семенах. По литературным данным, общее содержание белка в семенах синтетической гексаплоидной пшеницы колеблется в пределах 12,5–24,0% [1, с. 45]. Экстремальное отклонение содержания белка или некоторых аминокислот в семенах за пределы нормы реакции может также существенно влиять на всхожесть семян и жизнеспособность растений [12]. Известно, что чем больше белка содержится в семени, тем большее количество аминокислот будет содержаться в единице его веса. С уменьшением количества аминокислот снижается биологическая ценность белка [6].
На содержание белка в зерне большое влияние оказывает окружающая среда, что усложняет процесс селекции на повышение общего содержания белка в зерне. Как правило, существует отрицательная корреляция между содержанием белка в зерне и урожайностью зерна [3]. В литературе встречаются экспериментальные свидетельства положительной корреляции между содержанием белка в зерне и массой зерен. В наших экспериментах анализ показателей содержания белка и массы 100 семян не выявил какой-либо корреляции.
Содержание белка в контрольных и искусственно состаренных семенах синтетической пшеницы японского происхождения
|
№ |
Образцы |
Вес 100 семян, г |
Содержание белка в семенах, % |
Содержание белка в состаренных семенах, % |
|
1 |
59 – 929 |
43,27 |
18,08 |
12,4 |
|
2 |
60 – 48042 |
40,16 |
14,8 |
13,9 |
|
3 |
61 – 126387 |
49,38 |
14,5 |
13,5 |
|
4 |
62 – 2092 |
44,17 |
17,3 |
11,1 |
|
5 |
64 – 2098 |
50,34 |
14,25 |
12,2 |
|
6 |
65 – 2100 |
48,25 |
14,5 |
11,97 |
|
7 |
66 – 2105 |
43,13 |
14,7 |
7,93 |
|
8 |
67 – 2159 |
47,13 |
13,2 |
12,5 |
|
9 |
68 – 2829A |
45,31 |
13,2 |
7,39 |
|
10 |
69 – 20-10 |
50,28 |
12,9 |
10,6 |
|
11 |
70 – 2078 |
45,82 |
14,7 |
14,6 |
|
12 |
71 – 2079 |
19,24 |
13,0 |
4,86 |
|
13 |
72 – 499262 |
40,12 |
12,7 |
12,2 |
|
14 |
73 Безостая-1 |
44,35 |
12,9 |
12,0 |
Как видно из таблицы, показатель общего содержания белка в семенах синтетической гексаплоидной пшеницы японского происхождения колебался в пределах от 12,7 до 18,08%. Наиболее высокое содержание белка в семени отмечено у образца № 59 LANGDON/АЕ.sq.929 (18,08%). Однако при ускоренном состаривании семян этого образца содержание белка понизилось на 5,68% и составило 12,4%. Для образца № 70 LANGDON/ KU-2078 было характерно понижение содержания белка в семенах с 14,7% в контрольных семенах до 14,6% после стрессового воздействия, т.е. всего на 0,1%. Низким содержанием белка в семени отличился образец № 72 LANGDON/PI 499262 (12,7%). Искусственное состаривание привело к понижению содержания белка в семенах этого образца на 0,5%. Что касается семян образца № 66 LANGDON/KU-2105, оказавшегося по показателям всхожести и подверженности инфицированию наиболее устойчивым к действию стресса, содержание белка понизилось почти в 2 раза, что может быть детерминировано генетическими особенностями образца.
Заключение
Сохранение генетической целостности образцов путем хранения семян в семенных банках жизненно важно. Однако потеря семенами жизнеспособности при хранении из-за старения представляет собой серьезную проблему, поскольку приводит к нехватке материала для воспроизводства и в конечном счете к утере ценнейшего семенного фонда.
Сравнительная оценка устойчивости к старению семян изученных образцов синтетической пшеницы японского происхождения позволила сделать выводы, что по показателям всхожести и степени инфицирования патогенами после ускоренного старения образец № 66 LANGDON/KU-2105 проявил большую устойчивость. Содержание белка в семенах этого образца понизилось почти в 2 раза. Образцы № 64 LANGDON/KU-2098 и № 67 LANGDON/KU-2159 проявили себя как более чувствительные к стрессовому воздействию.
Для выведения новых устойчивых к биотическим и абиотическим стрессовым факторам генотипов пшеницы целесообразно использовать рекомендуемые более устойчивые и высокобелковые образцы.