Первичные результаты космического эксперимента с семенами хозяйственно-полезных сельскохозяйственных культур на космическом аппарате Фотон-М №4

Автор: Милехин Алексей Викторович, Мальчиков Петр Николаевич, Катюк Анатолий Иванович

Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc

Статья в выпуске: 4-3 т.17, 2015 года.

Бесплатный доступ

Изложены первичные результаты космического эксперимента с семенами высших растений, проведенного на космическом аппарате Фотон-М №4. Представлены материалы полевых наблюдений и лабораторных анализов за 2015 г.

Космический эксперимент, семена сельскохозяйственных культур, факторы космического полета

Короткий адрес: https://sciup.org/148203928

IDR: 148203928

Текст научной статьи Первичные результаты космического эксперимента с семенами хозяйственно-полезных сельскохозяйственных культур на космическом аппарате Фотон-М №4

и электромагнитное космическое излучение) теоретически могут повлиять на процессы экспрессии генов и рекомбиногенеза, что может расширить веретено генотипической вариабельности и получить новые хозяйственно значимые генетические конструкции.

Таким образом, основная задача, поставленная нами в эксперименте – изучить влияние факторов космического полета на морфобиологические, генетические признаки и свойства, а также характер их наследования у различных сельскохозяйственных культур с целью дальнейшего создания нового исходного материала, увеличения биоразнообразия культур и последующего создания перспективных сортов, адаптированных к различным агроэкологическим условиям Российской Федерации.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА

Полет российского научно-исследовательского спутника Фотон-М №4, запущенного на орбиту Земли с космодрома «Байконур» 19 июля 2014 года, выполнялся в рамках научной программы Совета Российской академии наук по космосу и Федерального космического агентства России. Аппарат был запущен в космос для проведения экспериментов в области биологии, физиологии, космической технологии и биотехнологии в условиях микрогравитации. На борту биокапсулы находились гекконы, мухи-дрозофилы, яйца шелкопряда, грибы, а также семена хозяйственнозначимых сельскохозяйственных культур (яровая мягкая и твёрдая пшеница, горох, картофель). Для проведения космических экспериментов учёными ФГБНУ «Самарский НИИСХ» было подготовлено 30 биообразцов семян в пластиковых пакетах по 50 грамм в каждом. Контрольная группа биообразцов находилась на хранении в лабораториях института.

После экспонирования в космосе семена были доставлены для лабораторного и полевого изучения в лаборатории ФГБНУ «Самарский НИИСХ».

В научном эксперименте «Генетика – горох» участвовали сорта, линии и гибриды F2 гороха разных морфотипов.

Изучаемым материалом служили сорта Куйбышевский, Флагман 10, Спартак, линии Б-2860/19УЛюпН, УГН, Б-1818ЛДетН, Б-3612/18УД и гибридные популяции Б-3995, Б-3933. Схема опыта предусматривала три варианта: 1. контроль (семена хранившиеся в наземных условиях); 2. вариант «ГИПО» (семена, находившиеся во время полета в гипомагнитном модуле); 3. вариант «НЭ» (семена, находившиеся во время полета в обычном модуле).

Посев экспериментальных семян проводили в тепличном комплексе Самарского НИИСХ, ручными сеялками. Площадь делянки 1,25м ² , повторность однократная. В течение вегетации проводились фенологические наблюдения. Перед уборкой с каждой делянки были отобраны растения (25 шт.) для определения структуры урожая по признакам: число бобов, число семян и масса семян с растения. В гибридных популяциях проводился разбор растений по типу листа.

Материалом для исследования в научном эксперименте «Генетика – пшеница» были семена 5 сортов яровой твёрдой пшеницы различного эколого-географического происхождения (Без-енчукская золотистая, Безенчукская крепость, 1307д-54, Корона (Казахстан), Akkille (Италия)).

Полевой эксперимент был организован путем посева семян на шестирядковых делянках площадью 1,0м ² в двух повторениях с рендомизиро-ванным размещением по блокам. В период вегетации проведены фенологические наблюдения, дана оценка вариантов по степени устойчивости к засухе, листовым пятнистостям (Alternaria spp.)

и патогенам «чёрного зародыша».

В эксперименте «Генетика-пшеница» влияние сортов объединено одним фактором, условно обозначенным «фактор В». Воздействие космических условий на семена «фактор А», так же, как и в предыдущем опыте, было регламентировано 2-мя уровнями: 1) «НЭ» (семена, находившиеся во время полета в обычном модуле), 2) «ГИПО» (семена, находившиеся во время полета в ги-помагнитном модуле). Контрольный вариант был представлен растениями, выращенными из семян той же репродукции, из которой были отобраны образцы для космического полёта.

Влияние космического фактора (фактор А), особенностей генотипа (сорта) (фактор В) и их взаимодействия (А*В) были изучены по степени проявления на растениях 12 признаков: КДК (количество дней от посева до колошения), ЧР (число растений на 1,0 м ² ), ПК (продуктивное кущение), БР (биомасса 1 растения), МЗР (масса зерна с 1 растения), ЧЗР (число зерен с растения), ЧКК (число колосков в колосе), ЧЗКК (число зерен в колоске), М1000 (масса 1000 зерен), ДС (длина соломины), К. хоз. р. (хозяйственный коэффициент растения), К. хоз. к. (хозяйственный коэффициент колоса).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Опыт «Генетика - горох»

Фенологические наблюдения за развитием гороха не выявили существенных различий по вариантам опыта (табл. 1).

Анализ продуктивности гороха по массе зерна, числу бобов и семян с растения не выявил достоверных различий по вариантам опыта (табл. 2). Анализ характера расщепления гибридных популяций F2 по форме листа также не выявил различий в

Таблица 1. Дата цветения образцов гороха

Опытные образцы гороха	Контроль	ГИПО	НЭ
Куйбышевский	13/06	13/06	13/06
Спартак	15/06	15/06	15/06
Флагман 10	13/06	13/06	13/06
Рассеченный лист	14/06	14/06	14/06
Линия УГН	18/06	18/06	18/06
Линия Б-2660/19УЛюпН	17/06	17/06	17/06
Линия 1818 ДН	13/06	13/06	13/06

Таблица 2. Продуктивность образцов гороха

3 w s к CD га а и 0J о CQ 0J У S е: К оо оо ьо4 хО г<Г CN О S О' г<Г ХО СО^ СГ^ хо oq ХО со o' S си CQ CQ К o' ХО V ЬО4 ЬО4 О S ЬО4 хО ЬО4 со^ V m V CN CSI V S 0J га 5 К О' o' ЬО4 ЬО4 ЬО4 ЬО4 U-T О S ^ o' ХО ХО V V o' ЬО4 ЬО4 ХО ЬО4 ХО ЬО4 V га о О га о И g га е Он к г*» S S к к о хо хо CN И W S S « оо со W S S to CSI to контроле и вариантах. В контроле расщепление составило: 36 растений с обычным парноперестым листом, 9 – с усатым листом и 8 - с рассеченным листом. В варианте «ГИПО» расщепление составило: 33 растения с парноперестым листом, 8 – с усатым листом и 8 – с рассеченным листом. В варианте «НЭ» расщепление составило: 41 – с парноперестым листом, 7 – с усатым листом и 7 – с рассеченным листом. В контроле и вариантах расщепление одинаково и соответствует отношению 10:3:3.

Таким образом, среда, в которой находились семена в состоянии покоя во время космического полета, не повлияла на выраженность морфологических и биологических признаков растений выросших из этих семян.

Опыт «Генетика-пшеница»

В результате проведенных биометрических исследований в эксперименте «Генетика-пшеница» отмечено достоверное влияние (Ff>Ft) фактора «А» (космос) на семь следующих признаков: КДК, ПК, БР, МЗР, ЧЗР, ЧЗКК, ДС. Эффекты взаимодействия факторов «А» (космос) и «В» (сорт) были значимы для пяти признаков: КДК, ЧР, ПК, ДС, К. хоз. р. Значимые эффекты сортов в эксперименте – фактор «В», наблюдались по десяти или наибольшему числу признаков: ДК, ЧР, БР, МЗР, ЧЗР, ЧЗКК, М1000, ДС, К. хоз. р., К. хоз. к. (табл.3, 4, 5, 6). Преобладание фактора «В» (сорт) в общей дисперсии по большему числу признаков

Таблица 3. Значимость компонентов дисперсии, изученных признаков по результатам 2-х факторного дисперсионного анализа

Источник дисперсии

Критерий Фишера и его значимость по признакам

КДК

ЧР

ПК

БР

МЗР

ЧЗР

ЧКК

ЧЗКК

М 1000

ДС

К. хоз р

К. хоз к

Блоки

3,19

11,7*

1,99

1,93

0,074

0,61

1,33

0,15

10,6*

3,7

5,5*

Варианты

22,9*

6,9*

2,87*

4,7*

9,92*

7,1*

4,35*

6,30*

74,6*

10,9*

7,9*

Факторы:

А (космос)

18,1*

1,45

4,29*

15,4*

13,9*

12,2*

4,44*

0,93

4,3*

1,8

2,1

В (сорт)

54,1*

17,3*

1,45

7,0*

23,6*

13,5*

8,12*

20,2*

248,4

29,8*

21,7*

АВ

8,4*

3,1*

3,22*

0,9

2,1

2,6

2,44

0,68

5,3*

3,7*

2,5

Значения критерия Фишера значимые на 5% уровне

Таблица 4. Величина признаков, формирование которых зависело от действия космических факторов

Варианты фактора "А"	КДК	ПК	БР	МЗР	ЧЗР	ЧЗКК	М1000	ДС
Контроль	50,6b	1,49ab	4,26b	1,75b	42,6b	2,33b	41,3	67,0b
«НЭ»	47,7a	1,33a	3,22a	1,30a	33,1a	2,04a	39,9	65,1a
«ГИПО»	48,3a	1,55b	4,11b	1,62b	40,5b	2,07a	40,3	64,6a

Значения, сопровождаемые одинаковыми буквами не различаются по критерию Дункана

Таблица 5. Величина признаков, формирование которых зависело от особенностей генотипа сортов

Варианты фактора"В"	КДК	ЧР на 1м ²	БР	МЗР	ЧЗР	ЧЗКК	М 1000	ДС	К.хоз р	К.хоз к
Без.золотистая	44,3a	324,1b	4,15b	1,88c	43,2b	2,33b	45,0c	65,9b	45,6d	69,1b
Без.крепость	47,4b	277,5b	4,09b	1,78c	43,1b	2,22b	42,4bc	70,3c	43,6cd	68,8b
1307Д-54	48,4b	296,9b	4,24b	1,77c	41,7b	2,23b	43,1c	70,6c	41,6c	65,1b
Корона	53,3d	296,9b	3,82b	1,41b	38,4b	2,30b	36,9a	76,3d	37,1b	65,9b
Akkille	50,8c	162,6a	3,04a	0,94a	27,1a	1,66a	35,1a	44,5a	30,2a	50,4a

Значения, сопровождаемые одинаковыми буквами не различаются по критерию Дункана

Таблица 6. Величина признаков в зависимости от всех вариантов эксперимента

Вариант

Сорт

КДК

ЧР

ПК

БР

МЗР

ЧЗР

ЧЗКК

М 1000

ДС

К хоз.

К.

хоз. к

Контроль

БЗ

44,0a

333e-g

1.8e

4,7f-h

2,1h

46,2de

2.32c

46.0g

68.8ef

44.1d-g

68.2cd

БК

47.0b-d

283d-f

1.5a-e

4,2c-h

1,8d-h

42,8de

2.25c

42.4g

71.6ef

42.5d-g

68.4cd

1307

-54д

48.5

266c-f

1,6a-e

4,7gh

1,9gh

47,5e

2.36c

42.3c-g

71.6ef

41.0c-g

67.1cd

Корона

58,0h

270d-f

1,2ab

4,2c-h

1,6c-g

39,0cde

2.46c

38.9b-f

77.6gh

37.6cd

65.2cd

Akkille

55,3g

178ab

1,4a-d

3,6a-e

1,4cd

37,4cde

2.26c

36.8ab

45.2b

38.6cd

60.1bc

нэ

БЗ

44,0a

385g

1,4a-e

3,5a-e

1,6c-h

37,8cde

2.29c

44.7g

61.7c

46.3fg

69.9cd

БК

47,5cd

320d-g

1,3ab

3,6a-e

1,6c-h

39,4cde

2.41c

42.4e-g

69.0ef

45.9e-g

71.3d

1307д -54

48,3de

318d-g

1,2a

3,1a-c

1,3bc

29,8abc

2.00bc

43.3fg

67.9ef

40.9c-g

61.6cd

Корона

50,5ef

270d-f

1,6b-e

3,4a-d

1,3c

36,0bcd

2.06c

36.8ab

79.2h

38.0cd

66.2cd

Akkille

48,3de

147a

1,2ab

2,5a

0,7a

22,5a

1.44a

32.5a

47.6b

27.0a

49.6a

гипо

БЗ

45,0a-c

255b-e

1,4a-e

4,2d-h

2,0gh

45,7de

2.37c

44.4g

67.4de

46.4g

69.1cd

БК

47,8d

230a-d

1,8d-e

4,5e-h

1,9e-h

47,2de

2.01c

42.4d-g

70.2ef

42.5d-g

66.6cd

1307д

-54

48,5de

306d-g

1,7c-e

4,9h

2,1h

47,9e

2.31c

43.5fg

72.3f

42.8d-g

66.6cd

Корона

51,3f

351fg

1,4a-d

3,9b-h

1,4cd

40,2cde

2.39c

35.2ab

72.2f

35.8bc

66.4cd

Akkille

48,8d-f

163a

1,4a-c

3,0ab

0,8a

21,4a

1.27a

36.0ab

40.7a

24.9a

41.7a

Значения, сопровождаемые одинаковыми буквами не различаются по критерию Дункана во многом объясняется значительными различиями в уровне адаптивности сортов местной и инорайонной селекции.

Продолжительность периода «всходы-ко-лошение» определяется функционированием в геноме твердой пшеницы генетических систем яровизации (Vrn гены), нечувствительности к фотопериоду (гены Ppd) и скороспелости как таковой (гены реr se) (Стельмах А.Ф.1987, Гончаров Н.П., 2002), интенсивности освещения (гены Rli) (Евтушенко, Чекуров, 2000). Значимое влияние космических факторов на скорость развития растений (признак КДК) полностью объясняется сокращением продолжительности периода «всходы-колошение» поздних сортов инорайонного происхождения (Корона и Akkille). Скорость развития сортов местной (безенчукской) селекции практически не зависела от воздействия факторов космического полета. Наиболее вероятным объяснением этих результатов может быть чувствительность к воздействию факторов космического полета генов яровизации (Vrn). Это связано с тем, что поздние генотипы, содержащие рецессивные аллели хотя бы в одном локусе генетической системы отзывчивости на яровизацию, реагируют на воздействие экстремальных факторов (низкие температуры) ускорением развития в период «всходы-колошение». Наиболее сильное воздействие на элементы продуктивности растений были отмечены на варианте «НЭ». Здесь значительная депрессия по отношению к контролю и варианту «ГИПО» наблюдалась по признакам: БР, МЗР, ЧЗР. По признаку БР на варианте «НЭ» различий между сортами не наблюдалось. В тоже время на контрольном варианте наиболее низкая продуктивность отмечена у итальянского сорта Akkille. Это означает, что адаптивные свойства сортов из России и Казахстана, влияющие на эффективность продукционных процессов, были ингибированы на варианте «НЭ». В тоже время преимущество этих сортов над Akkille на варианте НЭ по МЗР, ЧЗР, ЧЗК сохранилось, что, видимо, можно объяснить ослаблением влияния на продукционные процессы этих сортов эффектов космического полёта (вариант «НЭ») во второй половине вегетации.

Признак ЧР зависит от всхожести и выживаемости растений в период вегетации. Посев, выполненный кондиционными семенами неадаптированного сорта даже при соблюдении технологических требований, может значительно изредиться, и привести к снижению показателя ЧР (Мальчиков П.Н., 2009).

В нашем эксперименте значимым были эффекты сорта и взаимодействия исследуемых факторов, что объясняется относительно низким уровнем признака у итальянского сорта «Akkille» на всех вариантах фактора «А». Влияние условий космического полёта на этот признак было незначимо.

Продуктивное кущение (ПК) сильно зависит от условий среды (норма высева, плотность стеблестоя, температура, условия увлажнения и обеспеченность посевов элементами минерального питания в период кущения) и генотипа сорта. Достоверных различий между вариантами условий космического полёта и контролем по этому признаку не наблюдалось. Достоверными различия по признаку отмечены между вариантами космического полёта с более высоким значением на варианте «ГИПО», что связано с положительным откликом сортов Безенчукская крепость и 1307д-54.

Значения признаков ЧЗКК и ДС на обоих вариантах условий космического полёта («НЭ», «ГИПО») достоверно ниже, чем на контрольном варианте. По признаку ЧЗКК это полностью объясняется сильной реакцией на воздействие факторов космического полёта сорта Akkille. Значимое снижение ДС под воздействием факторов космического полёта объясняется реакцией сортов несущих гены редукции высоты растений - Безенчукская золотистая (RhtAnh) и Akkille (RhtB1). Однако у Безенчукской золотистой ДС не связано с уменьшением биомассы растений в сравнении с другими сортами, у сорта Akkille эти процессы сопряжены. Признаки характеризующие распределение биомассы растений между зерном и вегетативной сферой варьировали под влиянием особенностей генотипов. Снижение значений этих признаков у сорта Akkille было недостаточным для доказательства влияния на эти признаки факторов космического полёта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, проведенные лабораторные и полевые эксперименты показывают различную степень и характер влияния факторов космического полета как на культуры, так и на сорта. Для установления достоверного влияния необходимо проведения дополнительных исследований на клеточном уровне с использованием современных биотехнологических, молекулярно-генетических методов.

Список литературы Первичные результаты космического эксперимента с семенами хозяйственно-полезных сельскохозяйственных культур на космическом аппарате Фотон-М №4

Стельмах, А.Ф. Генетические эффекты локусов Vrn 1-3 и специфическое действие доминантного Vrn 3 аллеля у мягкой пшеницы/А.Ф. Стельмах//Цитология и генетика, 1987. Т.24. № 4. С.278-286.
Гончаров Н.П. Сравнительная генетика пшениц и их сородичей/Н.П.Гончаров//Новосибирск.-2002.-251с.
Евтушенко Е.В. Генетическое разнообразие по реакции на интенсивность света у сортов мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.)/Е.В.Евтушенко, В.М.Чекуров//Генетика.-2000.-Т.36.-№5.-С.666-672.
Мальчиков П.Н. Селекция яровой твердой пшеницы в Среднем Поволжье: Дисс.. докт. с/х. наук. Безенчук, 2009. 402 с.

Статья научная