Влияние почвенных стрессоров на морфологические и биохимические параметры листьев регенерантов ячменя

Введение. Ячмень (Hordeum vulgare L .) является одной из ключевых сельскохозяйственных культур, выращиваемых в различных регионах мира на площади 55 млн га. Около 74 % мирового объема производства ячменя обеспечивается десятью странами, в числе которых Российская Федерация (РФ) [1].

Высокий потенциал урожайности ячменя в нашей стране достигается систематической селекционной работой. Несмотря на усилия, экстремальные колебания факторов окружающей среды оказывают заметное влияние на ее результаты. В частности неблагоприятные погодные условия в сочетании с сокращением посевных площадей привели к снижению валового сбора ячменя в РФ с 21,1 млн т в 2023 г. до 16,67 млн т в 2024 г. [2].

Повышение устойчивости растений к абиотическим стрессам представляет собой сложную задачу. В отличие от устойчивости растений к биотическим стрессам, имеющей моногенную природу, генетически сложные ответы на абиотические стрессы являются мультигенными.

Устойчивость к абиотическим стрессам является комплексным признаком, формирующимся в результате взаимодействия стрессора с различными молекулярными, биохимическими и физиологическими процессами [3]. В связи с этим ответные реакции растений на абиотические стрессы сложно контролировать и тем более управлять ими.

Эффективным способом повышения генетического разнообразия растений и получения стрессоустойчивых форм является направленная селекция in vitro клеточных (каллусных) культур на селективных питательных средах с последующей регенерацией растений. Использование каллусов в качестве модельных систем для получения устойчивых форм оправдано сходством морфогенетических процессов в растениях в естественных условиях (in planta) и в культивируемых каллусах in vitro [4]. В исследованиях, посвященных оценке регенерантов ячменя, было показано, что технологии in vitro позволяют получать линии, превосходящие исходные сорта по урожайности [5–7]. Однако проб- лемой остается сохранение стабильности приобретенных хозяйственно-полезных признаков регенерантных генотипов.

Листья верхнего яруса выступают ключевым элементом, определяющим продуктивность сельскохозяйственных культур. Однако данные по зерновым зачастую отличаются. С одной стороны, на примере овса ( Avena sativa L.) показано, что генотипы с большими подфлаговыми листьями имеют более крупную метелку с большим числом колосков, зерен и массой зерна, это свидетельствует о положительной связи между морфометрией листьев и урожайностью [8]; с другой стороны, для ячменя установлено, что при оптимальных гидротермических условиях генотипы, обладающие большей площадью флаговых и подфлаговых листьев, затеняют друг друга и конкурируют, это снижает их урожайность [9].

Изменения физиологических, морфологических и анатомических признаков листьев также являются частью общей стратегии адаптации растений к экстремальным факторам окружающей среды. В частности, уменьшение площади листьев при действии различных стрессоров (засуха, повышенные температуры, тяжелые металлы) позволяет снизить потери воды, уменьшить токсическое воздействие ионов металлов и таким образом сохранить жизненно важные функции [10, 11].

Цель исследования – оценка изменений морфометрических и биохимических параметров листьев регенерантных и исходного генотипов ячменя при действии почвенных стрессоров.

Объекты и методы. Исследования проводили в 2024 г. на базе ФГБНУ «Федеральный аграрный научный центр Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого» (ФАНЦ Северо-Востока) (Киров, Россия). Объектом исследования служили исходный сорт ярового ячменя Боярин селекции ФАНЦ Северо-Востока (включен в Госреестр по Волго-Вятскому региону, среднеранний, устойчивый к полеганию и засухе) и его регенерантные формы во втором поколении, индуцированные в каллусной культуре на среде Мурасиге–Скуга (МС) с селективными агентами (табл. 1).

Таблица 1

Сорт, генотип	Форма генотипа	Условия получения
Боярин	Исходный сорт	Внутривидовая ступенчатая гибридизация
RA-Сd	Регенерантная линия	Регенерация в каллусной культуре in vitro на селективной среде МС	15 мг/дм3 Cd2+, рН = 4,5
RA-Al			40 мг/дм3 Al3+, рН = 4,0
RA-ПЭГ			15 % ПЭГ, рН = 5,6

Характеристика генотипов ячменя Characteristics of barley genotypes

Семена каждого генотипа в количестве 35 шт. засевали рядками в вегетационные емкости размером 1,5 × 1,3 × 0,3 м. Площадь питания растений составляла 4 × 15 см. Для опыта использовали типичную для Кировской области почву (дерново-подзолистая суглинистая, содержание гумуса – 1,2–2,0 % (ГОСТ 262132021), подвижного фосфора – 51,6–82,2 мг/кг, нитратного азота – 2,3–2,8 мг/г по (ГОСТ Р 54650-2011). Моделировали четыре почвенных фона (табл. 2).

Таблица 2

Стрессор	Почвенный фон
	Контрольный	С кадмием	Кислый	Засуха
Сd (подвижная форма), мг/кг	0,036±0,004	19,2±0,5	0,706±0,018	0,036±0,004
рН солевой вытяжки из почв	6,8±0,1	4,6±0,1	4,6±0,1	6,8±0,1
Атмосферные осадки	Без изоляции			Изоляция

Схема опытов Scheme of experiments

В качестве модельного токсиканта при загрязнении почвы кадмием использовали дигидрат ацетата кадмия(II) Cd(CH 3 COO) 2 ∙ 2H 2 O. Уровень содержания подвижных соединений кадмия, внесенных искусственным образом, в почве кадмиевого фона составил 19 ОДК (Сан-ПиН 1.2.3685-21). Исходное содержание кадмия в почве кислого фона составляло 0,706 мг/кг, что значительно превышало (в 20 раз) показатели контрольной почвы и почвы, испытывающей засуху, но не достигало значений ОДК согласно действующим санитарным нормам. Разный уровень содержания кадмия в почвах этих вариантов был обусловлен разным уровнем кислотности (рН 4,6 и 6,8), что влияло на подвижность соединений кадмия в этих условиях. Кратковременная засуха обеспечивалась пленочным покрытием вегетационной емкости в межфазный период развития растений «выход в трубку – начало колошения».

Выращивание растений осуществляли в естественных условиях. В период длительного отсутствия атмосферных осадков осуществляли полив растений водопроводной водой. Исключение составлял засушливый фон в сроки моделирования засухи.

На стадии колошения с 20 случайных растений ячменя срезали подфлаговый лист для исследования параметров роста (длина, площадь), определения содержания фотосинтетических пигментов (хлорофилл a , хлорофилл b , каротиноиды) и фенольных соединений (ФС).

Измерение длины и площади листьев проводили автоматизированным способом по фотоснимкам с помощью программы Image J. Определение содержания антиоксидантов осуществляли спектрофотометрическим методом. Для извлечения пигментов из листьев использовали 100 %-й ацетон [12]. Свободные ФС экстрагировали 70 %-м этиловым спиртом при температуре 5 °С в течение 16 ч, общие (сумма) ФС, в том числе связанные с клеточной стенкой, – раствором гидроксида натрия (2 н.) при температуре 80 °С в течение 2 ч. Содержание ФС было стандартизовано по галловой кислоте [13].

Реакции различных генотипов на почвенные условия были проанализированы с помощью дисперсионного анализа. Данные представляли в виде средних значений ± стандартное отклонение. Разные буквы в таблице 3 указывают на значительную разницу при р < 0,05 по критерию LSD (наименьшее значимое различие). Взаимосвязи между признаками выявляли с помощью

Вестник КрасГАУ. 2026. № 1 (226) корреляционного анализа, доступного в MS Excel.

Результаты и их обсуждение. В ходе исследования было установлено, что генотип (F-Ratio 7,3–7,8) оказывал наибольшее по сравнению с почвенным фоном (F-Ratio 2,8) влияние на морфометрические характеристики подфлагового листа (см. табл. 3).

Среди исследованных стрессоров засуха в большей степени ограничивала рост листьев. Снижение длины листа при засухе составило 8 % по сравнению с кислым фоном, длины и площади – 8 и 16 % по сравнению с кадмиевым фоном. Однако различия с контролем не были статистически достоверными, что указывало на отсутствие выраженного угнетающего действия заявленных абиотических факторов, в том числе кадмия, на рост листьев. Аналогичные результаты были описаны в работе Vassilev et al. [14], которые исследовали физиологическую реакцию ячменя на загрязнение почвы кадмием в концентрации 45 мг/кг. Визуальные признаки фитотоксичности в этом случае наблюдали только на уровне корневой системы, они связаны с большим (в 10 раз), чем в надземной массе, накоплением токсиканта в растительной ткани.

В наших исследованиях, независимо от почвенного фона, наибольшей длиной листа характеризовался исходный сорт. Регенеранты по данному показателю уступали исходному сорту. По площади от исходного сорта отличался только один регенерант – RA-ПЭГ. Для него фиксировали самые низкие значения исследуемого параметра, в том числе за счет наличия скрученности листьев. Следует отметить, что скрученность листьев у ячменя чаще всего рассматривается как симптом нехватки воды и ассоциируется с адаптацией к дефициту влаги [15]. В представленной работе скрученность листьев у RA-ПЭГ наблюдали на всех почвенных фонах, что свидетельствовало о стабильности данного признака в процессе целенаправленного отбора in vitro на селективной среде с осмотиком (ПЭГ 6000). В литературе аналогичные признаки были описаны при отборе перспективных генотипов риса ( Oryza sativa L.) [16].

Площадь листьев характеризовалась более высоким коэффициентом вариации (Cv) – 27,8– 42,2 %, чем длина (16,9–24,1 %). При этом максимальная ее вариабельность зафиксирована на почвенном фоне с кадмием (Cv = 42,2 %). Наибольшая изменчивость данного показателя была присуща регенеранту RA-ПЭГ (Cv = 36,6 %).

Таблица 3

Градации фактора

Морфометрические

Биохимические

Длина

Площадь

Пигменты

Фенольные соединения

Хлорофилл а

Хлороф

илл b

Каротиноиды

Свободные

Сумма

Х , см

С v , %

Х , см2

С v , %

Х , мг/г

С v , %

Х , мг/г

С v , %

Х , мг/г

С v , %

Х , мг/г

С v , %

Х , мг/г

С v , %

Фактор А (почвенный фон)

Контроль

10,6ab

19,1

4,8ab

31,7

2,9a

30,7

1,2a

36,5

0,8a

26,6

4,9b

9,2

14,9b

9,9

С кадмием

11,3b

24,1

5,2b

42,2

2,9a

42,3

1,8b

43,3

0,7a

28,9

4,5a

7,7

14,9b

8,1

Кислый

11,3b

20,1

4,8ab

31,2

3,7a

30,9

1,5ab

32,1

0,7a

25,7

4,5a

9,5

14,0ab

7,7

Засуха

10,5a

16,9

4,5a

27,8

3,3a

31,3

1,3ab

36,0

0,8a

27,4

4,4a

10,5

13,1a

10,7

F-Ratiо

2,8*

нз

22,6*

43,9*

6,1*

3,9*

6,9*

Фактор Б (генотип)

Исходный сорт

11,9b

19,8

5,2b

32,2

2,2a

15,2

0,9a

15,9

0,5a

21,7

4,5a

9,7

12,9a

9,8

RA-Сd

10,6a

19,8

4,9b

32,5

3,2b

42,4

1,9c

32,6

0,7b

28,7

4,4a

8,0

14,4b

9,6

RA-Al

10,8a

19,8

5,1b

31,3

3,7b

27,2

1,5b

32,2

0,8bc

10,4

4,3a

8,7

14,7b

9,2

RA-ПЭГ

10,3a

19,7

4,0a

36,6

3,8b

20,1

1,5b

21,1

0,9c

9,6

4,9b

9,3

14,8b

8,1

F-Ratio

7,3*

7,84*

81,9*

157,6*

95,4*

6,2*

6,9*

Взаимосвязь ф

акторов (А×Б)

F-Ratio

нз

нз

47,4*

41,5*

17,3*

нз

нз

Примечание: * – средние значения статистически различаются при P = 0,05; нз – средние значения статистически не различаются при P = 0,05.

Изменчивость параметров подфлагового листа ячменя в зависимости от почвенного фона и генотипа Variability of barley subflag leaf parameters depending on soil light and genotype

Согласно данным литературы, сокращение площади листа при засухе часто связано с уменьшением удлинения размера его эпидермальных клеток [17]. При низком давлении тургора осмотически обусловленное расширение клеток становится ограниченным, что в итоге приводит к снижению урожайности [15]. Уменьшение листовой площади более характерно для засухоустойчивых сортов [18]. В представленной работе в условиях засухи ячмень не развивал значительно большую площадь подфлаго- вого листа, что, возможно, также связано со снижением эвапотранспирации [11], но в дальнейшем позволило сохранить продуктивность.

В наших исследованиях длина подфлагового листа положительно коррелировала с продуктивностью ( r = 0,49) только на кислом фоне, в то время как на почвенном фоне с кадмием и при засухе наблюдалась отрицательная корреляция между продуктивностью и площадью листа ( r = –0,48 и r = –0,75 соответственно) (табл. 4).

Таблица 4

Корреляционные связи продуктивности с морфометрическими параметрами оценки подфлагового листа Correlation links between productivity and morphometric parameters of subflag leaf assessment

Параметр листа	Почвенный фон
	Контрольный	С кадмием	Кислый	Засуха
Длина	–0,26	0,03	0,49	–0,17
Площадь	–0,03	–0,48	0,12	–0,75
	Генотип
	Исходный сорт	RA-Сd	RA-Al	RA-ПЭГ
Длина	0,77	0,16	–0,39	0,99
Площадь	0,75	0,19	–0,87	0,82

У исходного сорта ( r 0,77–0,75) и регенеранта RA-ПЭГ ( r 0,99–0,82) изменение длины и площади листьев было более мобильным параметром, тесно связанным с продуктивностью. При изменении условий роста продуктивность регенерантов RA-Сd в меньшей степени определялась морфометрическими характеристиками. RA-Al демонстрировал обратную связь площади листа и продуктивности.

Следующим этапом работы явилась оценка содержания пигментов в листьях. Использование данного показателя в качестве критерия отбора стрессоустойчивых сортов было связано с тем, что фотосинтетические пигменты, наряду с участием в процессе фотосинтеза, выполняют роль антиоксидантов [19, 20]. Результаты исследования выявили значительное влияние на данный параметр оценки как генотипа (F-Ratio 6,2–157,6), так и почвенного фона (F-Ratio 6,2– 43,9). В отличие от длины и площади листа, влияние генотипа на содержание фотосинтетических пигментов, существенно определялось условиями его роста (F-Ratio 17,3…47,4). Однако не все пигменты были чувствительны к абиотическим стрессорам. Так, содержание хлорофилла а и каротиноидов в листьях на различ- ных почвенных фонах статистически не различалось, что согласовывалось с результатами сохранения продуктивности генотипов при засухе: снижение длины и площади листьев компенсировалось накоплением пигментов на уровне значений, характерных для нестрессированных растений. Одним из объяснений выявленного эффекта может быть увеличение удельной эффективности фотосинтеза в листьях при засухе [21].

Содержание хлорофилла b изменялось в зависимости от условий почвенной среды. Так, загрязнение почвы кадмием сопровождалось увеличением данного показателя на 50 % по сравнению с контролем. Для этого же почвенного фона регистрировали самую высокую среди исследованных абиотических стрессов вариабельность содержания пигментов (СV 28,9– 43,3 %). Согласно данным научной литературы, растения ячменя могут справляться с низкоуровневым стрессом, вызванным кадмием [22]. Кадмий, как показано на примере различных растений, может оказывать неоднозначное влияние на фотосинтез в зависимости от его концентрации [23]. В низких (5–20 мг/кг) он может стимулировать фотосинтетические процес- сы, тогда как при высоких концентрациях (50– 100 мг/кг) его воздействие становится ингибирующим [24]. Различия в ответных реакциях также можно связать с разной чувствительностью фотосинтетических пигментов к кадмию. Например, в гидропонной культуре декоративных растений показано, что уровень хлорофилла a достоверно снижается только при уровне кадмия в среде 100 мг, в то время как содержание хлорофилла b статистически не отличается от контроля при уровне 10–100 мг [25].

Независимо от почвенных условий, исходный сорт имел более низкое по сравнению с регенерантами содержание фотосинтетических пигментов в подфлаговом листе. Различие между этими генотипами в содержании хлорофилла a составило 45–73 %; хлорофилла b – 67– 110 %; каротиноидов – 40–80 %. Среди исследованных генотипов наибольшая изменчивость в содержании пигментов в подфлаговом листе отмечена у RA-Cd, что, вероятно, указывает на наличие у данного генотипа адаптационных механизмов, связанных с фотосинтезом.

Важное значение в повышении адаптационного потенциала растений имеет фенольный синтез. Помимо различных физиологических функций в растениях, ФС способны удалять избыток активных форм кислорода, что позволяет растениям справляться со стрессорами [26]. Ответная реакция на стресс может обеспечиваться как связанными с гликозидами ФС, потенциально участвующими в процессах лигни-фикации, так и их свободной фракцией [27]. Общее содержание ФС, в отличие от фотосинтетических пигментов, в равной степени определялось как генотипом, так и почвенными условиями, что подтверждалось равными значениями F-Ratio (6,9). К числу стрессоров, в наибольшей степени ограничивающих накопление ФС в подфлаговом листе, относилась засуха. Разница с контролем составила 14 %. Также при засухе отмечали наибольшую неоднородность генотипов по общему содержанию ФС в листьях (СV = 10,7 %). Учитывая, что ФС клеточной стенки делают ее менее эластичной, более плотной и жесткой [28], снижение общего содержания ФС в подфлаговом листе при засухе указывало на большую предрасположенность генотипов к скручиванию листьев как одному из способов выживания растений в данных условиях.

Наименьшим суммарным содержанием ФС в листьях характеризовался исходный сорт. Его разница с регенерантами по данному параметру составила от 12 до 15 %. Согласно данным литературы, более высокий уровень накопления ФС является признаком большей адаптирован-ности генотипов к стрессовым условиям [29]. В связи с этим регенеранты по сравнению с исходным генотипом следует считать более устойчивыми к стрессовым факторам.

В отличие от суммы, содержание свободной фракции ФС в листьях ячменя в большей степени определялось генотипом. Наибольшим содержанием ФС характеризовался RA-ПЭГ. Разница с исходным генотипом и прочими регенерантами по свободной фракции ФС составила 12–19 %. Усредненные значения содержания свободных ФС в листьях на контрольном фоне были выше, чем в условиях абиотических стрессов, на 9–10 % и противопоставлялись данным по общему содержанию ФС, что частично затруднило их интерпретацию. Одна из причин ее возникновения обусловлена неуточ-ненностью химической структуры ФС при их определении [30].

Заключение. Таким образом, установлено сложное взаимодействие генотипических и средовых факторов, которые оказывают влияние на морфологические и биохимические показатели листьев ячменя. Исходный сорт в большинстве случаев превосходил регенеранты по длине и площади листа, независимо от почвенного фона, однако при отрицательной корреляции с продуктивностью. На почвенных стрессовых фонах регенеранты обладали более высоким антиоксидантным потенциалом, диагностируемым по содержанию фотосинтетических пигментов и ФС в листьях, что привело к повышению продуктивности регенерантных генотипов в этих условиях по сравнению с исходной формой. Среди исследуемых генотипов выделялся регенерант RA-ПЭГ, характеризующийся в условиях засухи большим преимуществом по исследуемым параметрам. Снижение площади листа у RA-ПЭГ расценивали как проявление адаптационного механизма.