Неканонический подход к решению задачи наследственного повышения засухоустойчивости у растений (на примере хлебных злаков)

Автор: Драгавцев В.А., Михайленко И.М., Проскуряков М.А.

Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology

Рубрика: Зерновые: генетический потенциал, селекционное улучшение, агробиотехнологии

Статья в выпуске: 3 т.52, 2017 года.

Бесплатный доступ

В связи с глобальным потеплением и нарастающим удорожанием хлебопекарного и кормового зерна проблема наследственного повышения засухоустойчивости зерновых культур превращается в одну из главнейших задач обеспечения продовольственной безопасности человечества. На основе анализа сложной структуры свойства засухоустойчивости хлебных злаков (фенотипирования) показана ограниченность канонического геноцентрического подхода и подходов молекулярной генетики к решению задачи существенного наследственного повышения засухоустойчивости. Предложен приоритетный эпигенетический подход к наследственному повышению засухоустойчивости, основанный на теории эколого-генетической организации количественных признаков (ТЭГОКП), которая оперирует не признаками продуктивности, а с семью генетико-физиологическими системами (ГФС), повышающих урожаи: аттракции; микрораспределений аттрагированных пластических веществ между зернами и мякиной в колосе; адаптивности (засухо-, холодо-, морозо,- жаро-, солестойкости и т.п.); горизонтального иммунитета; «оплаты» сухой биомассой лимитирующего фактора почвенного питания (N,P,K…); толерантности к загущению фитоценоза; наследственной вариабельности продолжительности фаз онтогенеза. В представляемой статье рассматривается один из компонентов сложной ГФС - адаптивность, в частности засухоустойчивость. Показана необходимость фенотайпинга - расчленения сложного свойства засухоустойчивости, в формировании которой участвуют не менее 22 компонентных признаков. Это позволяет строить эколого-генетические портреты (ЭГП) родительских пар (гистограммы величин всех компонентов засухоустойчивости для каждого родителя) на стадии экспериментальных исследований в камерах искусственного климата для разных типов засухи и подбирать родительские пары с дополняющими друг друга элементами ЭГП. По полученному прогнозному ЭГП посредством математических моделей, отражающих вклады компонентных признаков в результирующую засухоустойчивость, можно определить те компоненты итоговой засухоустойчивости, которые в процессе управления подбором родительских пар и гибридизации приведут к оптимальной комбинации максимальных положительных аддитивных вкладов выбранных компонентов в результирующую засухоустойчивость нового сорта

Еще

Хлебные злаки, засухоустойчивость, фенотипирование, эколого-гене-тические портреты, управление подбором родительских пар, сrop cereals

Короткий адрес: https://sciup.org/142214048

IDR: 142214048   |   DOI: 10.15389/agrobiology.2017.3.487rus

Список литературы Неканонический подход к решению задачи наследственного повышения засухоустойчивости у растений (на примере хлебных злаков)

  • Жученко А.А. Экологическая генетика культурных растений как самостоятельная научная дисциплина. Теория и практика. Краснодар, 2010.
  • Левенко Б.А. Генетически модифицированные (трансгенные) растения. Киев, 2010.
  • Вавилов Н.И. Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости. Избранные произведения. Л., 1967. Т. 1: 7-61.
  • Монтеверде Н.А. Ботанический атлас. СПб, 1906.
  • Hayman B.I. The theory and analysis of diallel crosses. II. Genetics, 1958, 43(1): 63-85.
  • Крупнов В.А. Засуха и селекция пшеницы: системный подход. Сельскохозяйственная биология, 2011, 1: 12-23.
  • Декалб -мощные корни. Агробизнес, 2013, спецвыпуск (Зерновой рынок): 16-17.
  • Pinthus M.G., Eshel Y. Observation on the development of the root system of some wheat varieties. Israel J. Agr. Res., 1962, 12: 13-20.
  • Zimmerman P.W., Crocker W., Hitchcock A.E. Initiation and stimulation of roots from exposure of plants to carbon monoxide gas. Contrib. Boyce Thompson Inst. (USA), 1933, 5: 1-17.
  • Sears E.R. The aneuploids of common wheat. Amer. Nat., 1953, 87: 245-252.
  • Ауземус Э.Р., Мак-Нил Ф.Х., Шмидт Ю.У. Генетика и наследование. В кн.: Пшеница и ее улучшение. М., 1970: 250-295.
  • Russel M.B. Water and its relation to soil and crops. In: Advances in Agronomy. Academic Press, 1959, V. 11: 1-131 ( ) DOI: 10.1016/S0065-2113(08)60122-4
  • Molinari H.B.C., Marur C.J., Daros E., De Campos M.K.F., De Carvalho J.F.R.P., Filho J.C.B., Pereira L.F.P., Vieira L.G.E. Evaluation of the stress-inducible production in transgenic sugarcane: osmotic adjustment, chlorophyll fluorescence and oxidative stress. Physiologia Plantarum, 2007, 130: 218-226 ( ) DOI: 10.1111/j.1399-3054.2007.00909.x
  • Кузнецов В.В., Дмитриева Г.А. Физиология растений. М., 2011.
  • Levitt J. The hardiness of plants. V. 6. Agronomy. Academic Press, NY.
  • Курсанов А.Л. Транспорт ассимилятов в растениях. М., 1976.
  • Финчем Дж. Генетическая комплементация. М., 1968.
  • Bonner J. The molecular biology of development. Claredon Press, Oxford, 1965.
  • Скулачев В.П. Энергетика биологических мембран. М., 1989.
  • Maximov N.A. Internal factors of frost and drought resistance in plants. Protoplasma, 1929, 7: 259-291.
  • Медведев С.С. Физиология растений. СПб, 2004.
  • Ort D.R., Long S.P. Botany. Limits on yields in the corn belt. Science, 2014, 344: 484-485 ( ) DOI: 10.1126/science.1253884
  • Dragavtsev V.A. Algorithms of an ecology-genetic survey of the genefund and methods of creating the varieties of crop plants for yield, resistance and quality. St. Petersburg, 2002.
  • Chen D., Neumann K., Friedel S., Kilian B., Chen M., Altmann T., Klukas C. Dissecting the phenotypic components of crop plant growth and drought responses based on high-throughput image analysis. Plant Cell, 2014, 26: 4636-4655 ( ) DOI: 10.1105/tpc.114.129601
  • Удольская Н.Л. Засухоустойчивость сортов яровой пшеницы. М., 1936.
  • Драгавцев В.А. О путях создания теории селекции и технологий эколого-генетического повышения продуктивности и урожая растений. В сб.: Факторы экспериментальной эволюции организмов. Киев, 2013, т. 12: 38-41.
  • Вавилов Н.И. Избранные труды. Т. 5. М-Л., 1965.
  • Драгавцев В.А. Как помочь накормить человечество. Биосфера, 2013, 5(3): 279-290.
  • Стент Г. Молекулярная генетика. М., 1974.
  • Лутова Л.А. Современные технологии в биологии растений. Мат. Всерос. Школы молодах ученых по экологической генетике. Краснодар, 2011: 82-100.
  • Сабинин Д.А. Физиология развития растений. М., 1963.
  • Кочерина Н.В., Драгавцев В.А. Введение в теорию эколого-генетической организации полигенных признаков растений и теорию селекционных индексов. СПб, 2008.
  • Литун П.П., Зозуля А.Л., Драгавцев В.А. Решение задач селекции на базе эколого-генетической модели количественного признака. Селекция и семеноводство (Киев), 1986, 61: 6-13.
  • Dragavtsev V.A., Pesek J. Estimation of genotypic and environmental variation in plants. Basic life science (Encyclopaedia). V. 8. Plenum Press, NY-London, 1977: 233-240.
  • Драгавцев В.А. К проблеме генетического анализа полигенных количественных признаков растений. СПб, 2003.
  • Кузнецов В.В., Шевякова Н.И. Пролин при стрессе: биологическая роль, метаболизм, регуляция. Физиология растений, 1999, 46(2): 321-336.
  • Yamada M., Morishita C., Urano K. Effects of free proline accumulation in petunia under drought stress. J. Exp. Bot., 2005, 56: 1975-1981 ( ) DOI: 10.1093/jxb/eri195
  • Михайленко И.М., Драгавцев В.А. Математические модели в селекции растений. Сообщение I. Теоретические основы идентификации генотипов по их фенотипам при отборе в расщепляющихся поколениях. Сельскохозяйственная биология, 2013, 1: 26-34 ( ) DOI: 10.15389/agrobiology.2013.1.26rus
  • Драгавцев В.А., Малецкий С.И. Пути «гены-признаки» неисповедимы. Биосфера, 2016, 8(2): 143-150.
  • Драгавцев В.А., Дьяков А.Б. Теория селекционной идентификации генотипов растений по фенотипам на ранних этапах селекции. В сб.: Фенетика популяций. М., 1982: 30-37.
  • Драгавцев В.А. Эколого-генетический скрининг генофонда и методы конструирования сортов сельскохозяйственных растений по урожайности, устойчивости и качеству (новые подходы). СПб, 1998.
  • Михайленко И.М., Драгавцев В.А. Математические модели в селекции растений. Сообщение II. Алгоритмы управления генетико-селекционным улучшением хозяйственно ценных свойств самоопылителей. Сельскохозяйственная биология, 2013, 1: 35-41 ( ) DOI: 10.15389/agrobiology.2013.1.35rus
  • Драгавцев В.А., Аверьянова А.Ф. О корреляции между уровнем аддитивной вариансы и степенью симилярности реакции количественных признаков пшеницы. Генетика, 1979, 15(3): 518-526.
  • Драгавцев В.А. Уроки эволюции генетики растений. Биосфера, 2012, 4(3): 251-262.
  • Araus J.L., Slafer G.A., Reynolds M.P., Royo C. Plant breeding and drought in C3 cereals: what should we breed for? Ann. Bot., 2002, 89: 925-940.
  • Berger B., Parent B., Tester M. High-throughput shoot imaging to study drought responses. J. Exp. Bot., 2010, 61: 3519-3528 ( ) DOI: 10.1093/jxb/erq201
  • Dhondt S., Wuyts N., Inze D. Cell to whole-plant phenotyping: the best is yet to come. Trends Plant Sci., 2013, 18: 428-439 ( ) DOI: 10.1016/j.tplants.2013.04.008
  • Florani F., Schurr U. Future scenarios for plant phenotyping. Annu. Rev. Plant Biol., 2013, 64: 267-291 ( ) DOI: 10.1146/annurev-arplant-050312-120137
  • Klukas C., Chen D., Pape J.M. Integrated analysis platform: an open source information system for high-throughput plant phenotyping. Plant Physiol., 2014, 165: 506-518 ( ) DOI: 10.1104/pp.113.233932
  • Sellammal R., Robin S., Raveendran M. Association and heritability studies for drought resistance under varied moisture stress regimes in backcross inbred population of rise. Rice Sci., 2014, 21: 150-161 ( ) DOI: 10.1016/S1672-6308(13)60177-8
  • Sozzani R., Benfey P.N. High-throughput phenotyping of multicellular organisms: finding the link between genotype and phenotype. Genome Biology, 2011, 12: 219 ( ) DOI: 10.1186/gb-2011-12-3-219
  • Xiong L., Wang R.G., Mao G., Koczan J.M. Identification of drought tolerance determinants by genetic analysis of root response to drought stress and abscisic acid. Plant Physiol., 2006, 142: 1065-1074 ( ) DOI: 10.1104/pp.106.084632
  • Tuberosa R. Phenotyping for drought tolerance of crops in the genomics era. Front. Physiol. 2012. Vol. 3: 347 ( ) DOI: 10.3389/fphys.2012.00347
  • Furbank R.T., Tester M. Phenomics -technologies to relieve the phenotyping bottleneck. Trends Plant Sci., 2011, 16(12): 635-644 ( ) DOI: 10.1016/j.tplants.2011.09.005
Еще
Статья научная