Селекция гречихи посевной c применением культуры in vitro

Введение. В связи с глобальным ухудшением климата планеты, которое происходит в последние десятилетия, важнейшей проблемой современного растениеводства и селекции является повышение устойчивости растений к абиотическим и биотическим стрессам [1]. Создание сортов, устойчивых к экологическим факторам среды, лимитирующим формирование потенциально возможной продуктивности, особенно актуально для Приморского края, как региона с муссонным климатом.

Для получения форм растений с повышенным уровнем стрессоустойчивости успешно используют новые биотехнологические подходы. Система in vitro является комплексным фактором, влияющим на генетическую программу растений. Получение клеточных культур из различных частей растения с использованием летальных доз ионов тяжелых металлов, манипуляции с ними могут служить базисом для последующего отбора вариантов с качественно новыми показателями [2, 3].

В ФНЦ агробиотехнологий Дальнего Востока им. А.К. Чайки работа с применением в качестве селективного фактора тяжелых металлов при культивировании гречихи in vitro проводится с

2006 г. За это время получено более 60 образцов гречихи, толерантных к тяжелым металлам. В 2021 г. новый сорт гречихи Уссурочка, созданный при использовании в селекционном процессе толерантной к меди регенерантной линии, включен в Государственный реестр селекционных достижений, допущенных к использованию по Дальневосточному региону [4].

Цель исследования – получение на селективных средах в культуре in vitro стрессоустойчивых растений-регенерантов гречихи и отбор в полевых условиях образцов с улучшенными селекционными характеристиками.

Объекты и методы. Исследование по получению растений-регенерантов гречихи посевной (Fagopyrum esculentum Moench) проведено на базе лаборатории сельскохозяйственной биотехнологии ФНЦ агробиотехнологий Дальнего Востока им. А.К. Чайки по ранее описанной методике [5, 6]. Объектом исследования служили сорта: Китавасесоба (Япония), Изумруд (Россия), гибрид Изумруд × Китавасесоба. Микрочеренки и каллус гречихи культивировали в течение 25 дней на селективных средах с минеральной основой по Мурасиге и Скугу (МС) без добавления гормонов, дополненных (в зависи- мости от варианта опыта): сульфатом цинка – 101, 404, 606 мг/л или сульфатом меди – 23, 46, 69, 161, 184 мг/л. Контроль – безгормональная среда МС, содержащая 0,025 мг/л сернокислой меди и 8,6 мг/л сернокислого цинка. Микрочеренки растений гречихи сорта Изумруд пассировали на среды с содержанием салициловой кислоты (СК) в культуре in vitro 6,9; 13,8; 20,7; 27,6 мг/л в течение 24 ч, 48 ч и 24 сут.

Пробирочные растения выращивали в контролируемых условиях световой комнаты при 16часовом дне, температуре 23 °С, освещенности 4 тыс. лк. Растения-регенеранты (R 0 ) высаживали в почву, размноженное семенное потомство регенерантов (R 1 и далее) изучали в полевых условиях селекционного питомника (СП). Содержание рутина в растительных пробах определяли по М.Н. Запрометову [7] в Тихоокеанском институте биоорганической химии им. Г.Б. Елякова ДВО РАН. Адаптивные свойства селекционных образцов, толерантных к ионам тяжелых металлов, по признаку семенной продуктивности оценивали по параметрам стрессоустойчивости, генетической гибкости [8]. Статистическую обработку экспериментальных данных проводили по методике Б.А. Доспехова [9].

Результаты и их обсуждение. В настоящее время в мировой и российской селекции гречихи актуальным направлением является выведение сортов с повышенным содержанием рутина [10– 12]. Способность к повышенному синтезу фенольных соединений может служить критерием высокой устойчивости растений к действию стрессовых факторов [11, 13]. Отбор форм гречихи с повышенным содержанием флавоноидов способствует выведению адаптивных сортов, устойчивых к разнообразным стрессовым факторам внешней среды. В процессе эксперимента выявлен определенный токсический эффект солей меди и цинка в повышенных концентрациях, который привел к снижению регенерационной способности растений гречихи в культуре in vitro . Салициловая кислота индуцировала ранний переход растений-регенерантов к цветению. Все это затрудняло микроклональное размножение и дальнейшее изучение полученного опытного материала в полном объеме.

Биохимический анализ показал, что в контрольных растениях сорта Изумруд в культуре in vitro содержание рутина составляло 1,46 %, значение данного показателя в микрорастениях после обработки салициловой кислотой (СК) варьировало от 1,14 до 2,8 % (табл. 1).

Таблица 1

Содержание рутина в растительных образцах растений - регенерантов гречихи сорта Изумруд, полученных в результате воздействия различных селективных агентов в культуре in vitro

Здесь и далее : X – среднее значение параметра; S X – ошибка среднего значения параметра; (*) – различия достоверны в сравнении с контролем; (**) – различия достоверны со средней по опыту и контролем при Р < 0,05.

Максимальное содержание рутина (2,8 %) отмечено у растений сорта Изумруд, микропобеги которых культивировали в течение 2 сут на среде с содержанием СК 6,9 мг/л. При увеличении концентрации СК до 13,8 мг/л накопление рутина в растениях in vitro уменьшилось и составило 2,47 %. Длительная обработка в течение 24 сут и высокая концентрация СК в питательной среде (20,7 мг/л) отрицательно повлияли на биосинтезе рутина: происходило снижение его в растительных тканях до 1,23 %, что ниже, чем в контрольных растениях.

При воздействии сульфата меди в дозе 161 мг/л на микропобеги сорта Изумруд в условиях in vitro отмечено максимальное содержание рутина (1,95 %), на 33,6 % больше, чем в контроле. В полевых условиях наибольшее содержание рутина также наблюдалось в растениях гречихи сорта Изумруд, полученных при воздействии высоких концентраций сульфата меди (184 и 161 мг/л) – 3,93 и 3,84 % соответственно, при содержании в контроле – 3,19 %.

В полевых условиях селекционного питомника в течение трех лет (2019–2021 гг.) оценивали семенное потомство 11 регенерантных линий, полученных в результате регенерации из каллуса и микропобегов на средах с высоким содержанием ионов меди и цинка (табл. 2). Превышение показателя продуктивность семян по сравнению с исходными формами и сортом стандартом Изумруд отмечено у растений семи линий, толерантных к меди (№ 3–9) и двух к цинку – № 11, № 13. Регенерантные линии гречихи характеризовались крупнозерностью, масса 1000 зерен составляла 32,0–39,1 г при низкой вариабельности данного показателя (V = 6,2 %). Исходную форму по данному признаку превысили три линии, полученные на селективной среде с ионами меди (№ 3–5) и одна – с ионами цинка (№ 13).

Таблица 2

Селекционные показатели образцов гречихи, полученных при воздействии высоких концентраций меди и цинка в питательной среде в культуре in vitro (СП, 2019–2021 гг.)

Окончание табл. 2

Примечание : (*) – различия достоверны со стандартом, (**) с исходной формой при Р < 0,05; МП – образец получен в результате регенерации из микропобега, К – каллуса.

Уровень устойчивости к стрессам является генетически контролируемым и наследуемым признаком, который проявляется, когда растения оказываются под действием экстремального фактора [14]. Высокую устойчивость к стрессу показали линии № 7, 9. Средняя урожайность сортов в контрастных (стрессовых и нестрессовых) условиях (У 1 +У 2 /2) характеризует их генетическую гибкость. Максимальные соотношения между генотипом и факторами среды отмечены у регенерантов № 9 (7,2 г), № 5 (6,2 г), № 7 (6,1 г), а также № 3, 6 (5,9 г).

Заключение. В результате исследования установлено, что культивирование микропобегов in vitro на среде с салициловой кислотой в концентрации 6,9; 13,8 мг/л в течение 48 ч и сульфата меди в концентрации 161, 184 мг/л способствует повышенному накоплению рутина в надземной части растений гречихи. Для дальнейшей селекции отобрано семь перспективных регенерантных линий, выделившиеся по комплексу показателей (продуктивность, крупно-зерность, стрессоустойчивость, генетическая гибкость), в т. ч. толерантных к меди (№ 3, 5, 6, 7, 9) и к цинку (№ 11, 13).