Особенности физиоло-биохимических показателей сортов Malus domestica L. селекции ФГБНУ ВНИИСПК в зависимости от уровня плоидности

Bве^ение. В России из плодовых культур ведущее место в производстве садовой продукции занимает яблоня. Вместе с тем, многие диплоидные сорта яблони обладают периодичностью плодоношения, что не позволяет е^егодно получать высокий уро^ай плодов. Отчасти эту проблему решает выведение в ходе направленной селекции полиплоидных сортов, у которых периодичность плодоношения слабо выра^ена. По мнению ряда исследователей триплоидия у яблони это наименьший уровень полиплоидии, который дает наибольший эффект [1,2,3]. Известно, что диплоидные сорта яблони уступают триплоидным по уро^айности и регулярному плодоношению [2]. В литературе имеются сведения, что триплоидные сорта по сравнению с диплоидными имеют более высокий уровень экспрессии генов и фотосинтетической активности [4,5], они более устойчивы к гипертермии, засухе и солевому стрессу [6,7,8,9]. Однако, имеющаяся информация не позволяет достаточно полно понять отличительный характер протекания физиолого-биохимических процессов у полиплоидных сортов по сравнению с диплоидными.

В настоящее время биоресурсная коллекция ФГБНУ ВНИИСПК содер^ит большое количество триплоидных сортов яблони: ^вгуста, Бе^ин луг, ^лександр Бойко, Благодать, Вавиловское, Дарена, Жилинское, Масловское, Министр Киселев, Орловский партизан, Осиповское, Патриот, Праздничное, Спасское, Тургеневское, Яблочный Спас и др., что значительно расширяет возмо^ности для сравнительного изучения влияния уровня плоидности на физиологобиохимические показатели.

Таким образом, изучение физиолого-биохимических показателей полиплоидных сортов в сравнении с диплоидными позволит дополнить, имеющуюся в литературе информацию, касающуюся их отличительных особенностей, что является актуальным в селекции и физиологии яблони.

Цель иссле^ований состояла в изучении особенностей физиологобиохимических показателей сортов яблони селекции ФГБНУ ВНИИСПК в зависимости от уровня их плоидности.

Услови^, материалы и мето^ы. Исследования проводили в лаборатории физиологии устойчивости плодовых растений ФГБНУ ВНИИСПК. Для исследований отбирали листья с однолетних побегов плодоносящих сортов яблони из биоресурсной коллекции ФГБНУ ВНИИСПК, отличающихся уровнем плоидности. В группу диплоидные сорта входили образцы, взятые с сортов Кандиль орловский, Строевское, Имрус; в группу триплоидные сорта – Тренер Петров, Патриот, Орловский партизан; группу тетраплоидные составили формы: 13-6-106, 25-37-45, 30-47-88.

Для определения потенциала фотосинтетического аппарата изучали фотохимическую активность изолированных хлоропластов (ФХ^) на основе скорости фотовосстановления ферроцианида калия [10]. Содер^ание пигментов определяли после экстракции 80%-ным ацетоном и рассчитывали по формулам ^рнона и Веттштейна [11]. Об активности каталазы судили по количеству выделяющегося кислорода при разло^ении пероксида водорода ферментом, супероксиддисмутазы (СОД) – по качественной реакции с нитросиним тетразолием, содер^ание свободного пролина устанавливали на основе реакции с нингидрином, малонового диальдегида – с тиобарбитуровой кислотой [12]. Общий белок определяли с помощью колориметрического метода определения белка по Лоури [13]. Количественное содер^ание сахаров находили на основе резорцинового реактива [14]. Толщину листовой пластинки – с использованием цифрового микрометра.

В таблицах и графиках представлены средние за два года исследования. Достоверность результатов оценивали по стандартным методикам с использованием программ MS EXCEL.

Результаты и обсу^^ени^. В результате исследований показано, что с увеличением уровня плоидности отмечается увеличение толщины ассимиляционной пластинки. Наибольшей толщиной листа характеризовались тетраплоидные формы яблони. Толщина листовой пластинки у них на 21,7…29,0% была больше, чем у диплоидных сортов яблони. Группа триплоидных сортов по толщине листа заняла проме^уточное поло^ение ме^ду тетраплоидными формами и диплоидными сортами (табл. 1).

Повышение уровня плоидности так^е оказало влияние и на увеличение содер^ания в листе зеленого пигмента – хлорофилла. Показано, что максимальным содер^анием зеленого пигмента характеризовались тетраплоидные формы, тогда как триплоидные сорта, как и в случае с толщиной листовой пластинки, были ме^ду диплоидными сортами и тетраплоидами. Так количество хлорофилла у тетраплоидных форм превышала группу диплоидных сортов в среднем на 45,5%, а у триплоидных – на 17,4…23,3%. Вместе с тем уровень плоидности не оказал достоверного влияния на количество другого пигмента – каротиноидов.

Таблица 1 – Влияние уровня плоидности на физиологические показатели сортов Malus domestica L.

Вместе с тем, известно, что увеличение содер^ания фотосинтезирующих пигментов не всегда коррелирует с ростом продуктивности фотосинтеза. В связи с этим было ва^но определить потенциальную возмо^ность ассимилирующего аппарата. Для этого исследовали фотохимическую активность изолированных хлоропластов на уровне световых реакций (ФХ^). В ходе проведенных исследований показано, что действительно увеличение содер^ания зеленых пигментов не всегда приводит к интенсификации работы основных фотосинтезирующих систем. Так на фоне наибольшего содер^ания хлорофилла в ассимиляционном аппарате, тетраплоидные формы по скорости световых реакций фотосинтеза были практически на уровне диплоидных сортов. При этом триплоидные сорта яблони по фотохимической активности изолированных хлоропластов в 1,7…2,1 раза превосходили диплоидные сорта и в среднем в 1,5 раза тетраплоидные формы (табл. 1). Повышение скорости световых реакций, у триплоидных сортов, возмо^но связано с более высоким фоном гиббереллинов. Ранее нами было показано, что триплоидные сорта яблони по сравнению с диплоидными, характеризуются повышенным содер^анием гибберелловых кислот на примере Г^ 3 [15]. В литературе есть сведения, что при обработке гиббереллином как интактных растений, так и изолированных хлоропластов отмечается интенсификация реакции Хилла за счет активизации ферментов участвующих в биосинтезе мембранных липидов [16,17].

На фоне выявленной модификации фотосинтетической деятельности в зависимости от уровня плоидности ва^но было изучить характер протекания окислительно-восстановительных реакций и особенности белково-углеводного обмена.

Показано, что с увеличением уровня плоидности увеличивается напря^енность окислительно-восстановительных реакций. Так наибольшая активность антиоксидантного фермента – каталазы была отмечена у тетраплоидных форм. Интенсивность разло^ения пероксида водорода у группы тетраплоидов была в 1,4…2,4 раза, а у триплоидных сортов в 1,4…2,0 раза выше, чем у диплоидов (табл. 2). ^налогичная картина наблюдалась и в отношении перекисного окисления мембранных липидов, о котором судили по накоплению малонового диальдегида (МД^). Группа триплоидных сортов по увеличению количества МД^ заняла проме^уточное поло^ение ме^ду диплоидными сортами и тетраплоидными формами. Наибольшей интенсивностью липопероксидации характеризовались тетраплоидные формы, что указывает на достаточно высокую метаболическую активность данных генотипов. В группе тетраплоидных форм содер^ание малонового диальдегида (МД^) на 50,3…90,4% превосходила группу диплоидных сортов, при этом в группе триплоидных генотипов количество МД^ на 6,5…56,6% превышала диплоиды. Вместе с тем на активность другого антиоксидантного фермента – супероксиддисмутазы (СОД) повышение уровня плоидности не оказало влияния.

Выявленные особенности фотосинтетической деятельности и окислительно-восстановительных реакций сказались и на белково-углеводном обмене (табл. 2). При этом наибольшим содер^анием общего белка и сахаров в листовом аппарате выделялись триплоидные сорта, что подтвер^дает утвер^дение, что триплоидия у яблони это наименьший уровень полиплоидии, который дает наибольший эффект [1]. Так количество общего белка у триплоидных сортов в 2,2…4,0 раза было больше чем у диплоидных сортов, сахаров в 1,9…2,6 раза, тогда как у тетраплоидных форм в 2,0…3,3 и 1,7…1,8 раза, соответственно, выше диплоидов. При этом наибольшее содер^ание свободного пролина наблюдалось в листьях тетраплоидных форм.

Таблица 2 – Влияние уровня плоидности на окислительно-восстановительные реакции и белково-углеводный обмен листьев сортов Malus domestica L.

В результате проведенных анализов показано, что с повышением уровня плоидности на фоне увеличения толщины листовой пластинки у сортов Malus domestica L. наблюдается рост содер^ания зеленого пигмента и свободного пролина, а так^е отмечается интенсификация фотосинтетической деятельности на уровне световых реакций. При этом наибольшая скорость передачи электронов в фотосистемах обнару^ивалась в группе триплоидных сортов. Увеличение плоидности в генотипах способствовало и интенсификации окислительно-восстановительных реакций на примере активности каталазы и липопероксидации мембран. В группе триплоидных сортов яблони отмечено наибольшее содер^ание в листьях общего белка и суммы сахаров по сравнению с диплоидными сортами и тетраплоидными формами. При этом активность СОД от уровня плоидности не зависела.

БͶБЛͶОГРАФͶЯ

• 1.    Бавтуто Г. ^. Новые методы в селекции плодово-ягодных культур. Минск: Высшая школа, 1977, 188 с.

• 2.    Инновации в изменении генома яблони. Новые перспективы в селекции/ под общей ред. академика Р^Н Е.Н. Седова. Орел: Издательство ВНИИСПК. 2015. 336 с.

• 3.    Singh R., Singh A., Koul A.K., Wafai B.A. // CIS. 1984. № 36. P.7-9.

• 4.    Xue H., Zhang B., Tian J.R., Chen M.M., Zhang Y.Y., Zhang Z.H., Ma Y. Comparison of the morphology, growth and development of diploid and autotetraploid ’Hanfu’ apple trees // Sci. Hortic. 2017. № 225. P. 277-285. DOI 10.1016/j.scienta.2017.06.059

• 5.    Ma Y., Zhang L., Li Y.Y., Dong Z.D. Characteristics of micro-structures and chlorophyll fluorescence parameters of diploid and autotetraploid 'Hanfu' apple leaves // Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica. 2012. V.32 (3). P.477-483.

• 6.    Zhang F., Xue H., Lu X., Zhang B., Wang F., Ma Y., Zhang Z.H. Autotetraploidization enhances drought stress tolerance in two apple cultivars // Trees. 2015. № 29. P. 17731780. DOI10.1007/s00468-015-1258-4

• 7.    Xue H., Zhang F., Zhang Z.H., Fu J.F., Wang F., Zhang B., Ma Y. Differences in salt tolerance between diploid and autotetraploid apple seedlings exposed to salt stress // Scientia Horticulturae. 2015. №190. P. 24–30. DOI 10.1016/j.scienta.2015.04.009

• 8.    Киселева Г.К. ^натомо-морфологическая оценка адаптивного потенциала сортов плодовых культур и винограда // Современные методологические аспекты организации селекционного процесса в садоводстве и виноградарстве. Краснодар: СКЗНИИСиВ, 2012. С. 199-205. Плодоводство и виноградарство Юга России № 67(1), 2021 г. http://journalkubansad.ru/pdf/21/01/11.pdf 160 12.

• 9.    Nenko N.I., Kiseleva G.K., Ulyanovskaya E.V., Yablonskaya E.K, Karavayeva A.V. Physio-biochemical criteria for apple tree tolerance to summer abiotic stresses // Agricultural Biology. 2019. V. 54     (1). P. 158-168. DOI

  10.15389/agrobiology.2019.1.158eng

  • 10.    Зеленский М.И., Клементьева И.И. Потенциометрический метод исследования фотохимической активности хлоропластов // Методы комплексного изучения фотосинтеза / Под ред. Быкова О.Д. Л.: ВИР. 1969. С. 127 – 141.

  • 11.    Гавриленко В.^., Ладыгина М.Е., Хандобина Л.М. Большой практикум по физиологии растений. Фотосинтез. Дыхание / Под ред. Рубина Б.^., М.: Высшая школа. 1975. 392с .

  • 12.    Прудников П.С., О^ерельева З.Е. Физиолого-биохимические методы диагностики устойчивости плодовых культур к засухе и гипертермии (методические рекомендации). Орел: ВНИИСПК. 2019. 46с.

  • 13.    Рого^ин В. В., Рого^ина Т.В. Практикум по физиологии и биохимии растений : учеб. пособие / СПб. : ГИОРД, 2013. — 352 с.

  • 14.    Туркина М.В., Соколова C.B. Изучение мембранного транспорта сахарозы в растительной ткани // Физиол. раст. 1972, Т.19, Вып. 5, С. 912-919.

  • 15.    Прудников П.С., Седов Е.Н., Прудникова Е.Г. Сравнительная характеристика физиолого-биохимических показателей сортов Malus domestica L., отличающихся по уровню плоидности // Вестник ОрелГ^У. 2017. №3 (66). С. 10-15.

  • 16.    Рощина В.Ф., Боровикова Л.В., Рощина В.В., Щерудило Е.Г. Действие природных регуляторов роста на дви^ение хлоропластов и фотосинтетические реакции //Физиология растений. 1980. Т. 27. В. 6. С. 1267 – 1276.

  • 17.    Скоробогатова И.В., Якушкина Н.И. Влияние гиббереллина на фотосинтетическую активность хлоропластов растений ячменя разного возраста // Физиология и биохимия культурных растений. 1986. Т.18. №5. С. 478 – 483.