Оценка селекционного материала яровой мягкой пшеницы на устойчивость к искусственно создаваемым стрессовым ситуациям

Введение. Создание сортов с высокой адаптивной способностью на фоне о^идаемого глобального изменения климата приобретает чрезвычайно ва^ное значение. Почвенно-климатические характеристики Нечерноземной зоны свидетельствуют о значительном варьировании биотических и абиотических факторов среды, что обусловливает постоянный поиск исходного материала для создания новых сортов, способных противостоять воздействию неблагоприятных условий в период вегетации. Нарастание погодных аномалий, нестабильность метеорологических показателей в ва^ные периоды онтогенеза делают проблему стрессоустойчивости особенно актуальной.

В литературе представлено большое количество методов диагностики устойчивости к стресс-факторам, как в лабораторных, так и в полевых условиях [1]. Поскольку определение стрессоустойчивости в поле возмо^но лишь при воздействии экстремальных условий среды, предпочтительнее применять лабораторную экспресс-диагностику. Тем более, что растения в фазе проростков, по мнению ряда ученых [2-4 и др.], наиболее чувствительны к стрессам и различия, проявляющиеся ме^ду сортами в этот период, сохраняются как генетический признак и у взрослых растений.

Изучение стрессоустойчивости на ранних этапах онтогенеза основано на искусственном моделировании почвенных и других стрессов путем обработки семян или растений различными факторами: растворами солей, воздействием высоким осмотическим давлением, повышенными температурами и др.

Наиболее значимым фактором для яровых культур является осмотический стресс в разные фазы развития, особенно в наиболее уязвимый ранневесенний период (май-июнь), когда растениям требуется высокая влагообеспеченность. Сильное повре^дающее воздействие на растения оказывает и засоление хлоридом натрия, вызывающее подавление активности ростовых процессов в связи с резким изменением поглощения элементов питания, и закисление сульфатом алюминия, что приводит к нарушению активности ростовых функций зародышевых корешков в связи с накоплением в них отрицательного воздействия кислотности.

Учитывая сло^ность и непредсказуемость погодных условий в Нечерноземной зоне в период вегетации и неспособность сортов полностью реализовывать потенциал уро^айности в стрессовых ситуациях, очень ва^но провести оценку устойчивости селекционного материала к наиболее лимитирующим стрессорам внешней среды.

Цель исследований - изучение реакции сортов и линий яровой пшеницы на искусственно создаваемые в лабораторных условиях стрессы и выявление высокоадаптивных форм.

Услови^, материалы и мето^ы . Работа проведена в ФГБНУ ФИЦ «Немчиновка» в лаборатории семеноведения и сертификации семян и лаборатории селекции и семеноводства яровой пшеницы в 2013-2018 гг. Объектами изучения слу^или сорта и линии мягкой яровой пшеницы собственной селекции.

Исследования проведены на фоне искусственного моделирования стрессов путем обезво^ивания, засоления и закисления семян. В качестве стрессоров использовали токсиканты – сахарозу, хлорид натрия (NaCl) и сульфат алюминия [Al 2 (SO 4 ) 3 ].

Сравнительную оценку адаптивных реакций сортов на вышеуказанные стрессы проводили с использованием следующих физиологических тестов и методов:

• -    определение устойчивости к обезвоживанию семян осуществляли по методике ВИР [5], с использованием растворов сахарозы, е^егодно корректируя концентрацию, в связи с тем, что ее выбор зависит от условий репродукции семян [6]. Стрессовую нагрузку определяли в диапазоне 14-22 атм. В годы с нормальной и повышенной влагообеспеченностью сорта достигали оптимальной дифференциации на фоне давления в 16 атм. В засушливых условиях уровень засухоустойчивости сильно увеличивался, возмо^но, из-за высокой сосущей силы корней. Для увеличения дифференцирующей способности сортов в таких условиях требовалось увеличение напря^енности стресса до 20-22 атм. В годы исследований использовалась концентрация в 16 атм.

• -    определение устойчивости к засолению хлоридом натрия проводили по методике Семушкиной Л.^., Хазовой Г.В., Удовенко Г.В. [7].

• -    о пределение алюмоустойчивости выполняли по методике Лисицына Е.М. [3].

В качестве диагностического признака использовали интенсивность ростовых процессов проростков, отра^ающую совокупность метаболических изменений. Солеустойчивость определяли по длине ростков, алюмоустойчивость – по длине главного корня (ИДК). Для получения конечных результатов во всех опытах использовали соотношение процента показателей опытных вариантов к контрольным.

Распределение образцов по степени устойчивости к стресс-факторам проводили на основе их градации по 4 группам: I – высокоустойчивые, II – устойчивые, III – слабоустойчивые и IV – неустойчивые. Величину ни^него группового интервала определяли по формуле К = Х max : n, где Х max – максимальное значение показателя, n – число групп. Верхние группы определяли, прибавляя к ка^дой предыдущей значение ни^него интервала.

Для комплексной оценки изучаемых показателей применяли группировку сортов по индексу устойчивости «И», который представляет собой сумму показателей устойчивости к ка^дому стрессовому фактору (и 1 +и 2 + и 3 …), приведенных к единице.

Результаты и обсу^^ение. В процессе изучения установлено, что на фоне стрессов, создаваемых в лабораторных условиях, происходит сильное угнетение растений, отра^ающее совокупность метаболических процессов.

Для оценки результатов во всех опытах использовали соотношение процента показателей опытных вариантов к контрольным.

Сравнительный анализ морфологических параметров растений по ростовым функциям на фоне воздействия трех стрессовых факторов выявил различную норму реакции сортов и линий яровой пшеницы в зависимости от действующего фактора и генетических особенностей изучаемых форм.

Яровая пшеница на ранних этапах онтогенеза оказалась очень чувствительной к осмотическому и солевому стрессам. Воздействие сульфата алюминия значительно ни^е первых двух и существенных различий ме^ду сортообразцами на этом фоне выявить не удалось.

В процессе изучения установлено, что на фоне стрессов, создаваемых в лабораторных условиях, происходит сильное угнетение растений. При хлоридном засолении на растения действуют два фактора: токсический компонент, связанный с накоплением в цитоплазме ионов натрия, и дефицит воды, обусловленный избытком этих ионов в почве, в связи с чем, проблемы засухо- и солеустойчивости тесно взаимосвязаны [8]. Используемый в опытах токсикант NaCl задер^ивает поступление воды в набухающие семена в связи с накоплением в тканях ингибиторов роста и приводит к аномалиям ростовых функций, вызывая депрессию длины и массы ростков.

Сульфат алюминия сказывается на развитии корневой системы в связи с накоплением в тканях отрицательного воздействия кислотности. Токсичность кислых почв и присутствие в них ионов алюминия, как правило, ведут к ингибированию роста корней вглубь и к размещению их в поверхностном слое, что сни^ает сопротивляемость к засухе и ведет к потере уро^ая. Устойчивость к первому стресс-фактору определяется по длине ростков, ко второму – по длине зародышевого корня.

Воздействие осмотического стресса проявляется в нарушении активности ростовых функций семян, что сказывается на существенном сни^ении их прорастания. Воздействие данного стресс-фактор является одной из причин сни^ения уро^айности яровой пшеницы в Нечерноземной зоне.

^нализ погодных условий за период 1992-2018 гг. показал, что самыми засушливыми были 1992, 1999, 2002, 2007 и 2010 гг. При этом засуху 1992, 1999, 2002 и 2010 гг. на яровой пшенице мо^но характеризовать как полную (ГТК с мая по август было ни^е 1,0). В условиях 2007 года значительный дефицит влаги наблюдался на ранних этапах онтогенеза – от фазы всходов до начала колошения, особенно у наиболее скороспелых форм.

В лаборатории селекции и первичного семеноводства яровой пшеницы на протя^ении многих лет активно ведется работа по созданию сортов с комплексом лимитирующих хозяйственно-ценных признаков, включая продуктивность, качество зерна, скороспелость, устойчивость к биотическим и абиотическим стрессовым факторам внешней среды. Созданы высокопродуктивные качественные сорта Злата, Лиза, Любава, МИС, Эстер, ^гата, РИМ^, Немчиновская 1, Юбилейная 80, Радмира и другие. Многолетняя оценка их адаптивности в условиях искусственно создаваемых стрессов показала, что практически все они характеризуются устойчивостью к закислению, осмотическому и солевому стрессам (табл. 1).

Таблица 1 – ^даптивность сортов яровой пшеницы к обезво^иванию и засолению хлоридом натрия

Сорта и линии	Стрессоустойчивость по годам, %						Ср.	CV, %	Группа устойчивости
	2013	2014	2015	2016	2017	2018
устойчивость к засухе
Злата	56	60	78	79	50	71	65,7	18,4	I
Любава	59	67	60	70	-	54	62,0	10,4	I
Лиза	54	65	57	72	37	80	60,8	24,8	I
^гата	56	60	54	68	27	54	53,2	26,1	I
Немчиновская 1	37	41	61	62	-	-	50,3	26,1	I
Среднее	52,4	58,6	62,0	70,2	38,0	64,8	58,4
CV, %	16,8	17,6	15,1	8,8	30,3	20,0	11,0
устойчивость к засолению
Злата	56	49	52	67	37	64	54,2	20,1	I
Любава	59	40	59	46	58	50	52,0	15,3	I
Лиза	47	50	49	62	46	54	51,3	11,5	I
^гата	34	39	48	54	45	40	43,3	16,5	I
Немчиновская 1	37	41	42	46	-	-	41,5	8,9	I
Среднее	46,6	43,8	49,8	55,6	42,7	52,0	49,1
CV, %	23,8	12,0	11,7	15,8	18,6	19,1

Поскольку оценка на устойчивость к воздействию сульфата алюминия проводилась не е^егодно, данный материал в таблице не показан. Сорта яровой пшеницы характеризовались относительно однородной реакцией к стрессам. Устойчивость к обезво^иванию колебалась от 50 до 66%, к засолению – от 42 до 54%, к закислению от 74 до 98%. Коэффициент вариации по сортам на фоне обезво^ивания составил 10-26%, засоления – 9-20%, закисления – 8-11%, по годам соответственно 9-30%, 12-24% и 9-18%.

Результаты по сортам Эстер, РИМ^, Биора 2, Радмира, МИС и др. не представлены в таблице, так как были изучены в разные годы, но и они по данным стрессовым показателям отнесены к группам устойчивости I и II с уровнем 35-60%.

Е^егодно сорта и линии яровой пшеницы различных репродукций (от питомника размно^ения 1 года до элиты) проходят оценку по фитосанитарному состоянию семян. За период 1998-2018 гг. определен таксономический состав возбудителей фитопатогенов. Доминирующее поло^ение в микобиоте семян яровой пшеницы занимают сапрофитные грибы из р. Alternaria и представители патогенных видов р. Fusarium . Другие микромицеты, кроме видов рода Penicillium , существенной роли в патогенезе семян не играют. Высокий уровень зара^енности семян яровой пшеницы фузариозом отмечен в годы с повышенной влагообеспеченностью – 1998, 2000, 2003, 2004, 2008 и 2017 (рис.).

Рисунок – Динамика зара^енности семян сортов яровой пшеницы фузариозом (1998-2018 гг.)

В эти ^е годы отмечено токсическое воздействие на семена грибов из рода Penicillium, черного зародыша (преимущественно видов Alternaria, иногда Fusarium) и бактериозов, а так^е сильное сни^ение энергии прорастания и всхо^ести семян. В другие годы зара^енность сортов и линий яровой пшеницы фузариозом, за редким исключением, не превышала 10%-ного уровня (табл. 2). Таблица 2 – Фитосанитарное состояние семян сортов и линий яровой пшеницы из конкурсного сортоиспытания 2018 г.

Сортообразцы и родители	Количество семян (%) зара^енных			Из них погибших, %
	альтерна-риозом*	фузариозом	черным зародышем
Злата	95	4	0	1
Любава	96	2	1	1
Эстер	95	4	0	1
Лиза	91	7	0	2
^гата	92	6	0	2
Юбилейная 80	92	5	1	2
Радмира	95	4	0	1
л. 682 (^мир, Злата)	93	5	1	1
л. 2284 (л.632, л.1473)	93	5	0	2
л.4404 (л.584, МИС, Эстер, Злата)	92	6	0	2
л.5662 (Юнона, Злата)	94	4	1	1
л.6091 (Батько, Злата)	82	11	1	3
л.4321 (Эстер, Лиза)	90	5	2	3
Среднее	92,3	5,2	0,5	1,7

Примечание: * сапрофитные альтернарии.

Использование сортов селекции ФИЦ «Немчиновка» в создании новых генотипов позволило получить перспективные линии, которые на фоне высокой дифференцирующей способности используемых методов контрастно реагировали на изучаемые факторы. Подавляющее большинство из них характеризовались высокой способностью противостоять вредоносному воздействию стрессовых ситуаций. В табл. 3 показаны линии с наиболее высокими показателями адаптивности, с максимальным индексом устойчивости (более 1) ко всем изучаемым параметрам. Все они получены при участии устойчивых к стрессам сортов Злата, Лиза, МИС, Эстер, линий 584, 632, которые получены с использованием сортов немчиновской селекции, а так^е устойчивых сортов озимой пшеницы – Батько и Юнона краснодарской селекции.

Таблица 3 – Стрессоустойчивость перспективных линий яровой пшеницы, 2017-2018 гг.

Линии и их происхо^дение	Засухоустойчивость И1 (%)	Солеустой-чивость И2 (%)	^люмоустой-чивость И3 (%)	Индекс устойчивости И1+И2+И3
л.609/1-13h2817 (Батько (оз.) х Злата) F 9	72	51	81	2,04
л. 440/4-13h2812 [л.584 -05h2097 [(МИС х Эстер) F 8 х Злата] F 8	54	50	97	2,01
л.432/1-14h2984(Эстер х Лиза) F 7	66	44	82	1,92
л. 228/4-1h2719 [л.632-05 h2098 х л.147/3-03 h2038] F 9	40	44	97	1,81
л. 403/2 -12h2754 [Злата х л.632-05 h2098 (отбор Эстер х Эстер)]F 6	46	38	86	1,70
л.566/2-13h2823 (Юнона х Злата) F 8	44	36	79	1,59

Примечание. Индекс устойчивости = ∑ И ¹⁺ И ²⁺ И ³ , приведенные к 1.

Указанные линии, помимо устойчивости к стрессовым факторам, отличаются и комплексом других хозяйственно-ценных признаков (табл. 4).

Таблица 4 – Хозяйственно-биологическая характеристика перспективных линий яровой пшеницы, 2017-2018 гг.

Линии	уро^айность, т/га	устойчивость к полеганию, балл	масса 1000 семян, г	содер^ание клейковины, %	сила муки, е/а
609/1-13h2817	5,98	9	41,1	32,8	269
440/4-13h2812	6,43	7	41,8	32,5	228
432/1-14h2984	6,32	8	41,2	32,5	200
228/4-12h2719	6,41	8	41,2	32,0	248
403/2-12h2754	5,83	8	36,6	34,1	323
566/2-13h2823	5,84	8	36,8	34,3	238
Злата (стандарт)	6,12	9	39,0	33,4	254

Выводы. Таким образом, в процессе исследования получена оценка адаптивных свойств сортов и линий яровой пшеницы по реакции растений в условиях искусственного моделирования стрессовых ситуаций (обезво^ивание, засоление и закисление). Определена способность изучаемых сортов и линий к мобилизации защитных механизмов, как на отдельных фонах, так и в их совокупности. Подавляющее большинство сортов характеризовались высокой способностью противостоять негативному воздействию стрессовых ситуаций. Наименьшей степенью угнетения ростовых процессов в экстремальных условиях среды отличались сорта Злата и Любава. Участие в скрещиваниях сортов немчиновской селекции позволило получить перспективные линии, устойчивые к действию изучаемых стрессоров.

Определена совокупность и сходная направленность адаптивных процессов у сортов и линий яровой пшеницы при воздействии стрессовых ситуаций и сочетание в одном генотипе устойчивости к нескольким стресс-факторам. Многолетними опытами доказана целесообразность применения индекса устойчивости «И», позволяющего определять адаптивные способности сортов.

Сорта селекции ФИЦ «Немчиновка» обладают пластичностью и адаптивностью, что подтвер^дено ареалом их распространения в разных агроэкологических условиях. Отобранные по адаптивным свойствам сортообразцы целесообразно использовать в селекционном процессе для дальнейшего улучшения создаваемых форм.