Скрининг образцов белого и желтого донника (Melilotus adans.) на устойчивость к хлоридному засолению

На территории бывшего СССР засоленные почвы разного типа и степени засоления занимают около 550 тыс. км2. В Российской Федерации они наиболее распространены на Северном Кавказе, в Нижнем Поволжье, на Южном Урале и в Западной Сибири. Эффективным методом улучшения состояния засоленных почв служит фитомелиорация — рассоление посредством выращивания устойчивых видов растений (1, 2). Бобовые широко используются в ремедиации почв, хотя, согласно некоторым данным, проявляют среднюю солеустойчивость (3). Залужение засоленных земель многолетними бобовыми травами способствует их обогащению азотом,

* Работа выполнена в рамках государственного задания согласно тематическому плану ВИР по теме ¹ 0662-2018-0016.

восстановлению плодородия и возврату в сельскохозяйственный оборот.

Виды рода Melilotus Adans. (донник) — одни из лучших фитомелиорантов в семействе Fabaceae . Виды донника растут на засоленных землях, где традиционные бобовые не выживают (2, 4). Происхождение рода – Евразия и Северная Африка, представители рода устойчивы к жаре и холоду (5, 6). Описано 26 видов донника, на территории бывшего СССР род представлен 13 видами (7). Введены в культуру донник белый M. albus Medik., донник желтый M. officinalis (L.) Pall., донник волжский M. wolgicus Poir., донник душистый M. suaveolens Ledeb., донник зубчатый M. dentatus (Waldst. et Kit.) Pers., донник волосистый M. hirsutus Lipsky и донник каспийский M. caspiсus Grun. (8). Отмечена высокая солеустойчивость некоторых образцов донника зубчатого и донника индийского (9-11). В мире посевы донника занимают 1,2-1,4 млн га и в основном сосредоточены в Канаде и СНГ (Западная и Восточная Сибирь, Поволжье, Казахстан, Якутия, Южный Урал, Северный Кавказ, Башкирия, Дальний Восток). В странах СНГ эти виды распространены почти во всех растительных зонах (12). Донник — перспективная кормовая, а также фитомелиоративная, лекарственная и медоносная культура, все большее внимание уделяется ей как сидерату (13, 14). Широкое применение донника связано с его высокой экологической пластичностью. Благодаря глубоко проникающей корневой системе, донники могут произрастать в широком диапазоне эдафических условий; донник засухоустойчив, зимостоек, малотребователен к плодородию почв (15). Наибольшей продуктивностью зеленой массы среди многолетних бобовых культур выделяется донник белый и желтый, донник белый считается более ценным в кормовом отношении видом (15).

Одной из главных причин угнетения роста бобовых растений на засоленных почвах становится нарушение деятельности клубеньковых бактерий, ответственных за фиксацию атмосферного азота (16). Донник в условиях почвенного засоления способен формировать относительно высокий урожай зеленой массы и обогащать почву азотом, что делает ее пригодной для последующего возделывания других культур (15). В настоящее время исследования по использованию этой культуры на засоленных почвах ведутся в Центральном (16), Приволжском (17, 18), Южном (19-22), Северо-Кавказском (23) и Сибирском (24) регионах.

Донник, как и многие другие культуры (25), проявляет высокую чувствительность к повышенному содержанию солей в почве. В связи с этим поиск форм донника с высокой солеустойчивостью в период начального роста растений (прорастание семян и рост проростков) рассматривается как актуальное направление исследований.

Коллекцию донника ВИР (ФНЦ Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова) составляют около 1000 образцов (виды, сорта, селекционные и дикорастущие образцы). Коллекция изучена по ряду ценных признаков: зимостойкость, биохимический состав, показатели морфологической изменчивости (26), устойчивость к кислым почвам (27, 28). В настоящее время в России допущено к использованию 15 сортов донника белого и 8 сортов донника желтого. В лабораторном скрининге растений на солеустойчивость в качестве тестовых часто используют ростовые показатели проростков (29, 30), зависящие как от напряженности стрессорного фактора (содержания солей в зоне корней), так и от свойств генотипа (31, 32). В условиях хлоридного засоления ионы Na и Cl при поступлении в клетки конкурируют с важнейшими элементами питания, прежде всего с ионами калия, кальция и магния, что вызывает токсический и метаболический стрессы у растений и приводит к их угнетению, а порой и к гибели уже на ранних стадиях онтогенеза (3335). В настоящее время выявлены механизмы адаптации растений к повышенной концентрации солей в почве (37), для некоторых бобовых (Me-dicago truncatula Gaertn.) они детально изучены (38).

В представленной работе в результате скрининга образцов из коллекции ВИР модифицированным нами методом впервые выделены высокоустойчивые к засолению формы, которые перспективны для использования в качестве источников солеустойчивости в селекционных программах.

Цель наших исследований — выявление видового разнообразия коллекционных образцов донника по устойчивости к хлоридному засолению на ранних этапах онтогенеза.

Методика. Объектом исследований были 58 образцов донника белого и 27 образцов донника желтого различного эколого-географического происхождения, представленные сортами и дикорастущими формами. Образцы выращивали при освещенности 10 клк, продолжительности фотопериода 16 ч, дневной температуре +21^+22 °С и ночной температуре +17^+18 °С. Стратифицированные с помощью наждачной бумаги семена (по 50 шт. на образец) раскладывали в ячейки растилен с сетчатым дном. Растильни помещали на 2 сут в контейнеры с дистиллированной водой так, чтобы сетка касалась поверхности воды, сверху их покрывали полиэтиленовой пленкой. Отбраковывали невсхожие семена. Затем растильни с наклюнувшимися семенами переносили на растворы согласно схеме опыта: контроль (дистиллированная вода); стрессорный фон 1 (раствор NaCl с осмотическим давлением 3 атм.); стрессорный фон 2 (раствор NaCl с осмотическим давлением 5 атм.). Через 5 сут измеряли длину корня и ростка.

При статистической обработке данных использовали программы Statistica 6.0 («StatSoft, Inc.», США) и Systat 10.2 («Systat Software, Inc.», США). Для каждого образца по всем вариантам опыта рассчитывали среднее значение признаков ( M ), стандартную ошибку среднего (±SEM) и коэффициент вариации ( Cv ). Информативность показателей оценивали посредством сопоставления величины внутри- (средний коэффициент вариации по популяциям Cv₁ ) и межпопуляционной (коэффициент вариации по средним популяций Cv₂ ) изменчивости исходных признаков. На основе средних значений длины корня и ростка вычисляли индексы длины корня и ростка (IR и IS), равные отношению соответствующих параметров растений опытных вариантов к контролю (чем выше значение индекса, тем более солеустойчивым считался образец). Для разделения на группы по величине устойчивости к засолению для совокупности вычисленных индексов были рассчитаны доверительные интервалы среднего: слабоустойчивые — величина индекса ниже нижней границы доверительного интервала, среднеустойчивые — от нижней до верхней границы доверительного интервала и устойчивые — величина индекса выше верхней границы доверительного интервала.

Результаты. Существуют различные лабораторные методы оценки растений на солеустойчивость на ранних этапах онтогенеза (39). При подборе оптимального метода мы учитывали имеющиеся в литературе сведения об использовании в диагностике морфометрических показателей, в частности длины ростков и корней проростков (40-42). Разработанный ранее метод оценки солеустойчивости донника (43) предполагает учет изменения всхожести семян после солевого воздействия, то есть охватывает более ранний период развития растений — набухание и проклевывание семян. На наш взгляд, показатели скрининга в этом случае могут зависеть от качества семян. Согласно нашей модификации, диагностика проводит- ся на фотосинтезирующих проростках, а обработке предшествует выбраковка некачественных семян. Кроме того, такая модификация обеспечивает высокую пропускную способность и воспроизводимость теста.

В водной культуре мы выявили значительную генотипическую изменчивость ростовых показателей во всех вариантах опыта. В контрольных условиях (отсутствие засоления) наиболее интенсивным ростом корешков характеризовались сорта донника белого Кинельский (Самарская обл.), Не-осыпающийся (Краснодарский край), Башкирский (Республика Башкортостан), Янтарь (Иркутская обл.), Местный (Австрия). У донника желтого интенсивный рост корней при отсутствии солевого стрессора наблюдался у сортов из Канады (Goldtop и Yukon). Высокую скорость увеличения длины ростков в условиях контроля отмечали у дикорастущих образцов донника белого из Казахстана (к-48543), Республики Якутия (к-46992), сортов донника желтого Yukon и Norgold (Канада), ¹ 28, ¹ 29 (США).

Хлоридное засоление в зоне корней, как правило, приводило к усилению внутри- и межпопуляционной изменчивости ростовых показателей (за исключением межпопуляцинной изменчивости длины ростков у донника желтого) (табл. 1). Как в контроле, так и при засолении внутрипо-пуляционная изменчивость длины корешка и длины ростка в большинстве случаев превышала межпопуляционную. Следует отметить, что у обоих видов во всех вариантах опыта была отмечена более высокая внутрипопуляци-онная изменчивость длины корешка по сравнению с длиной ростка.

Установлено, что при засолении внутрипопуляционная изменчивость длины корней проростков увеличивалась значительнее, чем длина ростков, поэтому для диагностики солеустойчивости использовали именно длину корней. Следует отметить, что аналогичный результат был получен нами и при подборе диагностического критерия в оценке образцов донника на устойчивость к алюмотоксичности кислых почв (27, 28).

1. Внутри- и межпопуляционная изменчивость длины корней и ростка у видов донника белого Melilotus albus Medik. и желтого M. officinalis (L.) Pall. в зависимости от условий выращивания

Показатель	Вид донника
	белый			желтый		белый			желтый
	длина			корня		длина			ростка
Осмотическое давление фона, атм.	0	3	5	0    3	5	0	3	5	0    3	5
Внутрипопуляционная изменчивость ( Cv1 , %)	45	49	46	34   47	41	24	26	28	23   25	26
Межпопуляционная изменчивость ( Cv 2, %)	21	26	34	22   29	30	19	22	25	26   26	21

При засолении угнетение ростовых процессов у проростков донника усиливалось с повышением концентрации NaCl в растворах. Размах варьирования индекса длины корня у донника белого составлял 0,44-1,49 ( Cv = 3,5 %) при осмотическом давлении 3 атм. и 0,003-1,07 ( Cv = 4,2 %) при 5 атм.; у донника желтого — соответственно 0,38-1,28 ( Cv = 4,4 %) и 0,38-0,95 ( Cv = 4,6 %).

Для распределения образцов по группам солеустойчивости были использованы границы доверительных интервалов средних значений индекса длины корней. Образцы распределили по трем условным группам: устойчивые, среднеустойчивые и слабоустойчивые. Согласно результатам скрининга, среди образцов донника белого выявлено 36,2 % устойчивых к хлоридному засолению, среди образцов донника желтого — 29,6 %. Большая часть образцов в выборках донников и белого (39,7 %) и желтого (37,1 %) была отнесена к группе слабоустойчивых. Образцы донника белого, выделившиеся по показателю солеустойчивости, происходили из Приморья (Рядовой и Диомид), Казахстана (Шедевр 75) и Новосибирской об- ласти (Люцерновидный Д-20), то есть из регионов с распространением засоленных почв. Высокую солеустойчивость проявил дикорастущий образец к-15650 из Ивановской области (табл. 2, рис., размещен на сайте журнала . Индекс длины корня при максимальной концентрации NaCl у этого образца (а также у сорта Диомид) был самым высоким. Среди образцов донника желтого наибольшей солеустой-чивостью характеризовались сорта из Западной Сибири селекции Сибирского НИИ кормов и Сибирского НИИ земледелия: Омский 916, Новосибирский 1, Северотатарский, Хорогский 2155, Омский 8 (см. табл. 2, рис.). Они могут представлять интерес для селекции на адаптивность в условиях засоленных почв.

А

Б

Распределение образцов донника белого Melilotus albus Medik. (А) и желтого Melilotus officinalis (L.) Pall. (Б) по показателю солеустойчивости на двух фонах засоления: IR1 — индекс длины корня при осмотическом давлении раствора 3 атм., IR2 — индекс длины корня при осмотическом давлении раствора 5 атм.

2. Образцы донника белого Melilotus albus Medik. и желтого Melilotus officinalis (L.) Pall. с высокой солеустойчивостью на раннем этапе онтогенеза

¹ по каталогу ВИР	Сорт (происхождение)	Длина корня, мм ( M ±SEM)			Индекс длины корня IR
		контроль	3 атм. NaCl	5 атм. NaCl	3 атм. NaCl	5 атм. NaCl
Донник белый к-15650  Дикорастущий (Ивановская обл.)            2,7±0,20  3,4±0,24  2,9±0,21    1,26      1,07 к-35551  Рядовой (Приморский край)                2,8±0,37  3,3±0,44  2,8±0,72    1,18     0,99 к-38872  Шедевр 75 (Казахстан)                      1,6±0,22  2,0±0,34  1,4±0,16    1,25     0,88 к-42988  Люцерновидный Д-20 (Новосибирская обл.) 3,2±0,59  2,0±0,45  2,5±0,33    1,49     0,79 к-47464  Диомид (Приморский край)                 2,0±0,38  2,4±0,35  2,2±0,31    1,19      1,07 Донник желтый к-38851  Омский 916 (Омская обл.)                   3,5±0,11  3,6±0,17  3,3±0,13    1,02     0,94 к-39362  Новосибирский 1 (Новосибирская обл.)      3,3±0,20  3,2±0,32  3,0±0,26    0,97     0,91 к-39364  Северотатарский (Новосибирская обл.)      3,6±0,27  3,5±0,32  2,8±0,25    0,98     0,80 к-40255  Хорогский 2155 (Новосибирская обл.)       3,0±0,16  3,4±0,19  2,3±0,12    1,13     0,76 к-41031  Омский 8 (Омская обл.)                     2,1±0,19  1,9±0,35  2,0±0,24    0,91     0,95

Некоторые из выделенных нами дикорастущих образцов и сортов с высокой солеустойчивостью на раннем этапе онтогенеза характеризуются и другими ценными для селекции признаками. Так, сорт Шедевр 75, выведенный на Актюбинской опытной станции, выделяется скороспелостью, быстрым послеукосным отрастанием, высокой засухо- и зимостойкостью, устойчивостью к вирусным заболеваниям, высоким содержанием белка и низким — кумарина. Сорт Рядовой из Приморского края характеризуется интенсивностью послеукосного отрастания, высокой зимостойкостью, низкой твердосемянностью, относится к малокумаринным сортам. Высокопродуктивный сорт Диомид (выведен совместно Примор- ским НИИ сельского хозяйства и Дальневосточной опытной станцией ВИР методом массового отбора из дикорастущих образцов) отличается быстрым отрастанием весной, высокими кормовыми свойствами, устойчив к засухе и неблагоприятным факторам перезимовки, относительно устойчив к поражению грибными болезнями. Сорт Омский 8 характеризуется интенсивностью послеукосного отрастания, высокой продуктивностью, засухоустойчивостью, зимостойкостью и высоким содержанием белка. Важными для селекции признаками — высокой продуктивностью, интенсивным отрастанием после скашивания, скороспелостью, био- и абиотической устойчивостью (к вирусам, засухе, низким температурам, неблагоприятным факторам перезимовки), а также ценными биохимическими свойствами (высокое содержание белка, низкое содержание кумарина) характеризуются многие из выделенных нами солеустойчивых сортов (данные не приведены).

Хлоридное засоление, как правило, приводило к усилению внутри-и межвидовой изменчивости ростовых показателей у проростков донника. Следует отметить, что подобная закономерность отмечена и для других видов растений при воздействии на них неблагоприятных средовых факторов. Например, установлено увеличение размаха изменчивости отдельных признаков у сортов яровой пшеницы в условиях засухи (44).

Внутривидовая изменчивость длины корней проростков донника в условиях засоления усиливалась в большей степени, чем ростков, что свидетельствует о более высокой информативности индекса длины корня для диагностики солеустойчивости донника и других культур (44). Линейные характеристики корневых систем используются в исследованиях при изучении устойчивости растений и к другим абиотическим стрессорам, в частности к алюмотоксичности кислых почв (45), засухе (46) и низким температурам (47).

Количество выделенных нами сортообразцов, устойчивых к засолению, в изученных сортиментах донника белого и донника желтого составило соответственно 36,2 и 29,6 %, то есть адаптивный потенциал двух видов по отношению к избытку хлорида натрия в зоне корней был примерно одинаков. Аналогичные результаты получены в Австралии при изучении влияния почвенного засоления на рост и развитие интродуцированных там однолетних и многолетних видов донника (48).

Согласно полученным нами данным, солеустойчивые сорта и образцы донника часто происходят из регионов с широким распространением засоленных почв, что следует учитывать при определении стратегии сбора ценных для селекции на солеустойчивость форм. В селекционных программах используют для скрещиваний продуктивные по зеленой массе и устойчивые к солевому стрессу родительские формы для получения перспективных сортов (49). Несмотря на имеющееся сортовое разнообразие донника, поиск новых генотипов всегда остается актуальным для создания более продуктивных и адаптированных к неблагоприятным факторам среды сортов (50).

Таким образом, в коллекциях белого и желтого донника нами впервые выделены образцы с высокой стартовой интенсивностью роста растений в контрольных условиях выращивания (отсутствие засоления). Внесение в зону корней хлорида натрия негативно сказывалось на ростовых показателях растений. Торможение роста корней и ростков было тем существеннее, чем сильнее оказывалось стрессорное воздействие. Выделенные образцы и сорта могут послужить новым исходным материалом для создания сортов донника желтого и белого, устойчивых к хлоридному за- солению в период раннего роста растений, что позволит более широко использовать потенциал этих видов для кормовых и биоремедиационных целей. Ряд выделенных нами солеустойчивых сортов характеризуются высокой продуктивностью, интенсивным отрастанием после скашивания, скороспелостью, био- и абиотической устойчивостью, ценными биохимическими свойствами.