Молекулярные маркеры генов, определяющих эффективность минерального питания у риса (Oryza sativa L.): мини-обзор

Молекулярные маркеры генов, определяющих эффективность минерального питания у риса (Oryza sativa L.): мини-обзор

Автор: Гончарова Ю.К., Харитонов Е.М., Шелег В.А.

Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology

Рубрика: Зерновые: генетический потенциал, селекционное улучшение, агробиотехнологии

Статья в выпуске: 3 т.52, 2017 года.

Бесплатный доступ

В настоящее время на Азию и Европу приходятся самые высокие нормы расхода минеральных удобрений. Возникают серьезные проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды, в том числе наблюдается подкисление почвы и воды, загрязнение поверхностных и подземных водных объектов, возрастает выброс парниковых газов. У риса, пшеницы и кукурузы коэффициент использования азота составляет 26-30 %, у овощных культур - менее 20 % (K. Vinod с соавт., 2012). Последние 50 лет селекция сортов ведется на фоне высоких доз минерального питания. Сорта, которые высокопродуктивны за счет внесения удобрений, как правило, менее эффективно их используют. Кроме того, урожайность таких сортов очень нестабильна, поскольку на нее в значительной мере влияют дозы удобрений, сроки их внесения, температура окружающей среды и другие факторы. В настоящей статье рассмотрены механизмы приспособления растений риса к низкому содержанию азота и фосфора и генотипические различия образцов по эффективности использования этих элементов. Отмечается различная реакция генотипов на дозы вносимого азота и фосфора, а также влияние источника элемента питания и взаимодействия генотип-среда на реакцию сортов. Сравнение генотипов риса показало 20-кратное различие в эффективности усвоения фосфора между крайними типами (M. Wissuwa с соавт., 2001). Все высокоэффективные генотипы - это стародавние сорта или эндемичные образцы. Питательные вещества в почве должны быть переведены в доступную для растений форму. Так, генотипические различия в эффективности использования фосфора у разных культур связаны с неодинаковой активностью фосфатаз. Фитиновая кислота - одно из веществ, способствующих переводу связанного фосфора в доступный (A.E. Ric-hardson с соавт., 2001). Ее образуют корни растений и микроорганизмы, поэтому свойство корней поддерживать выгодные микробные сообщества служит дополнительным адаптивным механизмом. Другие приспособления растений к низкому содержанию азота и фосфора могут быть связаны с увеличением поверхности корневой системы, интенсификацией поглощения элементов, повышением внутренней эффективности их использования, а также с биосинтезом и выделением корнями органических кислот, повышающих доступность элементов питания (H. Lambers с соавт., 2006). Под внутренней эффективностью в указанном случае понимается перераспределение поступающего элемента питания между генеративными и вегетативными органами, между листьями одного или разных побегов и т.д. Вариабельность по эффективности использования элементов минерального питания среди генотипов риса главным образом объясняется различиями в росте корневой системы, что увеличивает площадь питания растений. Вариабельность устойчивости к недостатку фосфора в большей степени связана с различиями генотипов риса по способности поглощать этот элемент, в то время как эффективность его использования оказывает незначительное влияние. Описаны молекулярные маркеры, которые сцеплены с QTL, определяющими эффективность минерального питания у риса, - RM 53, RM 25, RM 600, RM 242, RM 235, RM 247, RM 322, RM 13, RM 261, RM 19 (D. Wei с соавт., 2012; Y. Cho с соавт., 2007). У российских сортов риса выявлен полиморфизм для всех изученных маркеров QTL, определяющих эффективность поглощения элементов минерального питания (Ю.К. Гончарова с соавт., 2015), что позволяет вести маркерную селекцию по этому признаку и отбор сортов-доноров.

Еще

Рис, минеральное питание, эффективность использования азота и фосфора, микросателлитные (ssr) маркеры

Короткий адрес: https://sciup.org/142213806

IDR: 142213806   |   DOI: 10.15389/agrobiology.2017.3.515rus

Список литературы Молекулярные маркеры генов, определяющих эффективность минерального питания у риса (Oryza sativa L.): мини-обзор

  • Гончарова Ю.К., Литвинова Е.В., Очкас Н.А. Генетика признаков, обеспечивающих эффективность минерального питания у риса. Тр. Кубанского государственного аграрного университета, 2010: 54-58.
  • Гончарова Ю.К. Наследование признаков, определяющих физиологический базис гетерозиса у гибридов риса. Сельскохозяйственная биология, 2010, 5: 72-78.
  • Kharitonov E.M., Goncharova Y.K. Mineral nutrient efficiency of rice. Russian Agricultural Sciences, 2011, 37(2): 103-105 ( ) DOI: 10.3103/S1068367411020133
  • Batjes N.H. A world data set of derived soil properties by FAOUNESCO soil unit for global modeling. Soil Use Manage, 1997, 13: 9-16 ( ) DOI: 10.1111/j.1475-2743.1997.tb00550.x
  • Dobermann A., Fairhurst T. Rice: nutrient disorders and nutrient management. Oxford Graphic Printers Pte Ltd, 2000: 60-71.
  • Fageria N.K., Baligar V.C. Upland rice genotypes evaluation for phosphorus use efficiency. J. Plant Nutr., 2010, 20:499-509 ( ) DOI: 10.1080/01904169709365270
  • Lea P.J., Miflin B.J. Nitrogen assimilation and its relevance to crop improvement. In: Annual plant reviews. V. 42. Nitrogen metabolism in plants in the post-genomic era/C.H. Foyer, H. Zhang (eds.). Wiley-Blackwell, Oxford, UK, 2010 ( ) DOI: 10.1002/9781444328608.ch1
  • Vinod K.K., Heuer S. Approaches towards nitrogen-and phosphorus-efficient rice. AoB Plants, 2012: pls028 ( ) DOI: 10.1093/aobpla/pls028
  • Huang Y.Z., Feng Z.W., Zhang F.Z. Study on loss of nitrogen fertilizer from agricultural fields and countermeasure. Journal of the Graduate School of Academia Sinica, 2000, 17: 49-58.
  • Runge-Metzger A. Closing the cycle: obstacles to efficient P management for improved global food security. In: Phosphorus in the global environment: transfers, cycles and management/H. Tiessen (ed.). NY, 1995: 27-42.
  • Food and Agriculture Organization of the United Nations. Current world fertilizer trends and outlook to 2011/12. FAO, Rome, Italy, 2008.
  • Гончарова Ю.К., Харитонов Е.М. Генетический контроль признаков, связанных с усвоением фосфора у сортов риса (Oryza sativa L.). Вавиловский журнал генетики и селекции, 2015, 19(2): 197-204 ( ) DOI: 10.18699/VJ15.025
  • Hammond J.P., Broadley M.R., White P.J. Genetic responses to phosphorus deficiency. Ann. Bot., 2004, 94: 323-332 ( ) DOI: 10.1093/aob/mch156
  • Guimil S., Chang H.S., Zhu T., Sesma A., Osbourn A., Roux C., Ioannidis V., Oakeley E.J., Docquier M., Descombes P., Briggs S.P., Paszkowski U. Comparative transcriptomics of rice reveals an ancient pattern of response to microbial colonization. PNAS USA, 2005, 102: 8066-8070 ( ) DOI: 10.1073/pnas.0502999102
  • Piao Z., Cho Y.I., Koh H.J. Inheritance of physiological nitrogen-use efficiency and relationship among its associated charaters in rice. Korean J. Breed., 2001, 33: 332-337.
  • Li B.Z., Merrick M., Li S.M., Li H.Y., Zhu S.W., Shi W.M., Su Y.H. Molecular basis and regulation of ammonium transporter in rice. Rice Science, 2009, 16: 314-322.
  • Kirk G.D., George T., Courtois B., Senadhira D. Opportunities to improve phosphorus efficiency and soil fertility in rainfed lowland and upland rice ecosystems. Field Crops Res., 1998, 56: 73-92 ( ) DOI: 10.1016/S0378-4290(97)00141-X
  • Peng S., Yang J., Lasa R., Sanico A., Visperas R., Son T. Physiological bases of heterosis and crop management strategies for hybrid rice in the tropics. Proc. Int. Conf. «Hybrid rice for food security, poverty alleviation, and environmental protection». Hanoi, 2003: 153-173.
  • Wissuwa M., Wegner J., Ae N., Yano M. Substitution mapping of Pup1: a major QTL increasing phosphorus uptake of rice from a phosphorus-deficient soil. Theor. Appl. Genet., 2002, 105: 890-897 ( ) DOI: 10.1007/s00122-002-1051-9
  • Wissuwa M., Ae N. Genotypic variation for tolerance to phosphorus deficiency in rice and the potential for its exploitation in rice improvement. Plant Breeding, 2001, 120: 43-48 ( ) DOI: 10.1046/j.1439-0523.2001.00561.x
  • Wissuwa M. Combining a modeling with a genetic approach in establishing associations between genetic and physiological effects in relation to phosphorus uptake. Plant Soil, 2005, 269: 57-68 ( ) DOI: 10.1007/s11104-004-2026-1
  • Wissuwa M. How do plants achieve tolerance to phosphorus deficiency? Small causes with big effects. Plant Physiol., 2003, 133: 1947-1958 ( ) DOI: 10.1104/pp.103.029306
  • Wissuwa M., Gamat G., Ismail A.M. Is root growth under phosphorus deficiency affected by source or sink limitations. J. Exp. Bot., 2005, 56: 1943-1950 ( ) DOI: 10.1093/jxb/eri189
  • Гончарова Ю.К. Генетические основы повышения продуктивности риса. Докт. дис. Краснодар, 2014.
  • Lambers H., Shane M.W., Cramer M.D., Pearse S.J., Veneklaas E.J. Root structure and functioning for efficient acquisition of phosphorus: matching morphological and physiological traits. Ann. Bot., 2006, 98: 693-713 ( ) DOI: 10.1093/aob/mcl114
  • Shane M.W., Lambers H. Cluster roots: a curiosity in context. Plant Soil, 2005, 274: 99-123 ( ) DOI: 10.1007/s11104-004-2725-7
  • Misson J., Raghothama K.G., Jain A., Jouhet J., Block M.A., Bligny R., Ortet P., Creff A., Somerville S., Rolland N., Doumas P., Nacry P., Herrerra-Estrella L., Nussaume L., Thibaud M.C. Agenome-wide transcriptional analysis using Arabidopsis thaliana. Affymetrix gene chips determined plant responses to phosphate deprivation. PNAS USA, 2005, 102: 11934-11939 ( ) DOI: 10.1073/pnas.0505266102
  • Morcuende R., Bari R., Gibon Y., Zheng W., Pant B.D., Blasing O., Usadel B., Czechowski T., Udvardi M.K., Stitt M., Scheible W.R. Genome-wide reprogramming of metabolism and regulatory networks of Arabidopsis in response to phosphorus. Plant, Cell & Environment, 2007, 30: 85-112 ( ) DOI: 10.1111/j.1365-3040.2006.01608.x
  • Marschner P., Solaiman Z., Rengel Z. Rhizosphere properties of Poaceae genotypes under P-limiting conditions. Plant Soil, 2006, 283: 11-24 ( ) DOI: 10.1007/s11104-005-8295-5
  • Radersma S., Grierson P.F. Phosphorus mobilisation in agroforestry: organic anions, phosphatase activity and phosphorus fractions in the rhizosphere. Plant Soil, 2004, 259: 209-219 ( ) DOI: 10.1023/b:plso.0000020970.40167.40
  • Richardson A.E., Hadobas P.A., Hayes J.E. Extracellular secretion of Aspergillusphytase from Arabidopsis roots enables plants to obtain phosphorus from phytate. Plant J., 2001, 256: 641-649.
  • Rengel Z., Romheld V., Marschner H. Uptake of zinc and iron by wheat genotypes differing in tolerance to zinc deficiency. J. Plant Physiol., 1998, 152: 433-438 ( ) DOI: 10.1016/S0176-1617(98)80260-5
  • Suzuki M.T., Takashi T., Satoshi W., Shinpei M., Junshi Y., Naoki K., Shoshi K., Hiromi N., Satoshi M., Naoko K.N. Biosynthesis and secretion of mugineic acid family phytosiderophores in zinc deficient barley. Plant J., 2006, 48: 85-97 ( ) DOI: 10.1111/j.1365-313x.2006.02853.x
  • Nguyen B.D., Brar D.S., Bui B.C., Nguyen T.V., Pham L.N., Nguyen H.T. Identification and mapping of the QTL for aluminum tolerance introgressed from the new source, Oryza rufipogon Griff., into indica rice (Oryza sativa L.). Theor. Appl. Genet., 2003, 106: 583-593 ( ) DOI: 10.1007/s00122-002-1072-4
  • Ye G., Smith K.F. Marker-assisted gene pyramiding for cultivar development. In: Plant Breeding Reviews, V. 33/J. Janick (ed.). John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, 2010 ( ). ( ) DOI: 10.1002/9780470535486.ch5
  • Zhang Y.J., Dong Y.J., Zhang J.Z., Xiao K., Xu J.L., Terao H. Mapping QTLs for deficiency phosphorus response to root-growth of rice seedling. Rice Genetics Newsletter, 2006, 25:36-37.
  • Wei D., Cui K., Pan J., Xiang J., Huang J., Nie L. QTL mapping for nitrogen-use efficiency and nitrogen-deficiency tolerance traits in rice. Plant Soil, 2012, 359: 281-295 ( ) DOI: 10.1007/s11104-012-1142-6
  • Cho Y., Jiang W., Chin J., Piao Z., Cho Y., Mc Couch S.R., Koh H. Identification of QTLs associated with physiological nitrogen use efficiency in rice. Mol. Cells, 2007, 23, 1: 72-79.
  • Peng S., Ismail A.M. Physiological basis of yield and environmental adaptation in rice. In: Physiology and biotechnology integration for plant breeding/H.T. Nguyen, A. Blum (eds.). NY, 2004: 83-140.
  • Chin J.H., Gamuyao R., Dalid C., Bustamam M., Prasetiyono J., Moeljopawiro S., Wissuwa M., Heuerm S. Developing rice with high yield under phosphorus deficiency: Pup1 sequence to application. Plant Physiol., 2011, 156: 1202-1216.
  • Su J., Xiao Y., Li M., Liu Q., Li B., Tong Y., Jia J., Li Z. Mapping QTLs for phosphorus-deficiency tolerance at wheat seedling stage. Plant Soil, 2006, 281: 25-36 ( ) DOI: 10.1007/s11104-005-3771-5
  • Lang N., Buu B. Mapping QTLs for phosphorus deficiency tolerance in rice (Oryza sativa L.). Omon Rice, 2006, 14: 1-9.
  • Ni J.J., Wu P., Senadhira D., Huang N. Mapping QTLs for phosphorus deficiency tolerance in rice (Oryza sativa L.). Theor. Appl. Genet., 1998, 97: 1361-1369 ( ) DOI: 10.1007/s001220051030
  • Xu Y., Crouch J.H. Marker-assisted selection in plant breeding: from publications to practice. Crop Sci., 2008, 48: 391-407 ( ) DOI: 10.2135/cropsci2007.04.0191
  • Рariasca-Tanaka J., Satoh K., Rose T., Mauleon R., Wissuwa M. Stress response versus stress tolerance: a transcriptome analysis of two Rice lines contrast in tolerance to phosphorus deficiency. Rice, 2009, 2:167-185.
  • Runge-Metzger A. Closing the cycle: obstacles to efficient P management for improved global food security. In: Phosphorus in the global environment: transfers, cycles and management/H. Tiessen (ed.). NY, 1995: 27-42.
  • Shimizu A., Yanagihara S., Kawasaki S., Ikehashi H. Phosphorus deficiency -induced root elongation and its QTL in rice (Oryza sativa L.). Theor. Appl. Genet., 2004, 109: 1361-1368 ( ) DOI: 10.1007/s00122-004-1751-4
  • Гончарова Ю.К., Харитонов Е.М. Генетические основы повышения продуктивности риса. Краснодар, 2015.
Еще
Статья обзорная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp