Сортовая вариабельность показателей неспецифической устойчивости растений яровой мягкой пшеницы к абиотическому стрессу

РАСТЕНИЕВОДСТВО

УДК 633.11: 581.1.051

Сортовая вариабельность показателей неспецифической устойчивости растений яровой мягкой пшеницы к абиотическому стрессу

Амунова Оксана Сергеевна, аспирант,

Лисицын Евгений Михайлович, доктор биол. наук, зав отделом ФГБНУ «НИИСХ Северо-Востока», г. Киров, Россия

E-mail: edaphic@mail.ru

С целью изучения сортовой гетерогенности мягкой яровой пшеницы по уровню проявления неспецифических реакций на стрессовое воздействие ионов алюминия была прослежена динамика относительного содержания аскорбиновой кислоты, моно- и суммарных сахаров в листьях растений четырех сортов пшеницы разного эколого-географического происхождения. Исследования показали, что повышение устойчивости корневых систем растений сопровождается снижением относительного содержания аскорбиновой кислоты в листьях. Высказано предположение, что подобная отрицательная взаимосвязь адаптивных реакций корневых и надземных органов объясняется усилением оттока аскорбиновой кислоты из листьев в корни. Между относительным содержанием моносахаров в надземной массе растений мягкой пшеницы и устойчивостью их корневых систем также наблюдалась отрицательная связь средней силы (r = -0,41...-0,64). Как и в предыдущем случае, вероятнее всего происходит усиление притока моносахаров, синтезируемых в процессе фотосинтеза, из надземной части растений в корни. Направление и сила связи между суммарным содержанием сахаров в надземной массе растений и степенью депрессии роста их корневых систем значительно варьировали в ходе адаптационного процесса (от r = 0,39 до r = -0,80). Разные сорта демонстрируют различный уровень развития окислительных повреждений под действием абиотического стрессора (ионов трехвалентного алюминия). Уровень устойчивости к стрессору надземных органов растений не всегда совпадает с уровнем устойчивости их корневых систем. Наличие генетического разнообразия мягкой яровой пшеницы по изучаемым показателям неспецифической устойчивости делает перспективным селекцию на сочетание устойчивости корневых систем с устойчивостью развития надземных частей растений.

Ключевые слова: мягкая пшеница, алюминий, аскорбиновая кислота, моносахара, суммарные сахара, гетерогенность

Аэробные организмы находятся перед лицом постоянной опасности, связанной с образованием в клетках активных форм кислорода. Под этим термином подразумевают формы кислорода с чрезвычайно высокой реакционной способностью, которые могут окислять практически все классы биологических молекул - белки, липиды мембран, молекулы ДНК и т.д. Окислительный стресс в растениях возникает в результате действия любых неблагоприятных факторов внешней среды. Повреждающему эффекту свободных радикалов и активных форм кислорода противостоит система противоокислительной защиты, главным действующим звеном которой являются антиоксиданты - соединения, способные тормозить, уменьшать интенсивность свободнорадикального окисления, нейтрализовать свободные радикалы [1]. Основные буферные системы для гашения окисли-

тельных процессов в клетке - это глутатион и аскорбиновая кислота. В хлоропластах мезофилла листа находится около 20-40% аскорбата. Там же содержатся все ферменты регенерации восстановленной аскорбиновой кислоты из окисленных форм. Ферменты цикла присутствуют и в цитозоле [2]. Поскольку ионы алюминия катализируют реакции образования активных форм кислорода и индуцируют окислительные повреждения растений [3], среди всех вторичных метаболитов растений наибольший интерес с точки зрения алюмоустойчивости представляет аскорбиновая кислота [4], активность генов синтеза этого соединения коррелирует с чувствительностью к алюминию [5].

Известно также, что в ответ на стрессовое воздействие ионов алюминия растения, в том числе и пшеница, изменяют активность большого числа генов/генетичес-

ких систем. Многие из подобных генов участвуют в синтезе, распаде или модификации молекул углеводов (моно-, олиго- и полисахаридов) [6, 7].

Цель исследований - оценка генотипи-ческих различий сортов пшеницы по динамике содержания аскорбиновой кислоты и сахаров в надземных органах растений при стрессовом воздействии ионов алюминия.

Материал и методы. В качестве экспериментального материала использованы четыре сорта мягкой яровой пшеницы различного эколого-географического происхождения: Легенда (Новосибирск), Лютесценс 30 (Самара), Эстивум V313 (Самара), AC Gabriel (Канада). Использование разработанной нами ранее методики [8, 9] показало, что все сорта имели примерно одинаковую потенциальную устойчивость к действию стрессора (79-82%). Растения выращивали в условиях искусственного освещения на полной питательной среде Кнопа без добавления (контроль) и с добавлением 1 мМ алю-

миния (опыт) в течение четырех недель. Еженедельно отбирали образцы растительного материала для анализа на содержание аскорбиновой кислоты, моно- и суммарных сахаров по [10].

Статистическая обработка результатов, корреляционный анализ данных, построение графиков проведены с использованием пакета программ табличного редактора Microsoft Excel 13.

Результаты и их обсуждение. Динамика относительного содержания аскорбиновой кислоты (опыт в процентах от контроля) в растениях исследуемых сортов яровой мягкой пшеницы схематично представлена на рисунке 1.

Как видно из данных рисунка, сорта, имеющие одинаковый уровень алюмоустой-чивости корневых систем, демонстрируют значительно отличающиеся стратегии развития адаптивных реакций на окислительный стресс, вызванный ионами алюминия, в надземных органах растений.

% от контроля

160 1

Ж. ^

140 - -Ж / ж

120 - ------------- -- „ • /N к . ^ ' ' / Ч -/ N дС Gabriel

100 "s. ^ . \ —— Эстивум V313

80 - ' \

' N —х„_. Лютесценс 30

60 ______

40 Легенда

20

0 1 1 1

1234 неделя опыта

Рис. 1. Динамика относительного содержания аскорбиновой кислоты в растениях пшеницы в ходе адаптации к алюминиевому стрессу

Так, сорта AC Gabriel и Эстивум V313 в начале адаптационного процесса (к концу первой недели опыта) значительно, на 3045%, снизили синтез аскорбиновой кислоты; с другой стороны, сорта Лютесценс 30 и Легенда уже в начале процесса адаптации к стрессору имели более высокий уровень содержания исследуемого вещества, чем в контрольном варианте.

Если сравнить динамику содержания аскорбиновой кислоты в контрольных и опытных вариантах, то для сортов Легенда и AC Gabriel характер изменения содержания изучаемого соединения практически совпа-

дает. При этом амплитуда изменений содержания аскорбата в растениях сорта Легенда в опытном варианте выше, чем в контроле, а у сорта AC Gabriel - наоборот, опытные варианты имели более сглаженный характер кривых динамики.

Для сортов Лютесценс 30 и Эстивум V313 отмечены различия в динамике содержания аскорбата между вариантами исследования. Так, в контроле у растений сорта Лютесценс 30 содержание аскорбиновой кислоты продолжало повышаться с первой по четвертую неделю, тогда как при воздействии алюминия между третьей и четвертой

неделей опыта произошло резкое снижение ее содержания. У растений сорта Эстивум V313, наоборот, между второй и третьей неделей в контроле отмечено резкое снижение синтеза аскорбата, тогда как в опыте ее содержание осталось на прежнем уровне.

Все это вместе привело к тому, что сорта AC Gabriel и Эстивум V313 в течение всего опыта постепенно повышали относительную интенсивность синтеза аскорбиновой кислоты, а сорта Лютесценс 30 и Легенда, наоборот, постепенно снижали ее.

Зависимость между относительным содержанием аскорбиновой кислоты в надземных органах растений пшеницы и степенью устойчивости корневых систем к действию ионов алюминия в течение первых двух недель исследования была статистически не значима. На третьей неделе выявлена сильная отрицательная связь (r = - 0,87), а на четвертой неделе - средняя отрицательная связь (r = - 0,46). Таким образом, при повышении устойчивости корневых систем к стрессору

наблюдается снижение относительного содержания аскорбиновой кислоты в листьях растений. Возможно, это связано с усилением оттока аскорбиновой кислоты из листьев в корни, где она проявляет свои защитные свойства как компонент антиоксидантной системы.

Содержание моносахаров в надземной части растений мягкой яровой пшеницы значительно изменилось под воздействием ионов алюминия (рис. 2). Как следует из рисунка 2, между первой и второй неделями опыта происходит значительный рост относительного содержания моносахаров в листьях растений всех испытанных сортов яровой мягкой пшеницы с последующим спадом. Особенно резко (до уровня первой недели) снижается синтез моносахаров у сортов Лютесценс 30 и Эстивум V313, но при этом сорт Лютесценс 30 далее слегка снижает уровень относительного содержания моносахаров, а сорт Эстивум V313-снова повышает его (в 2,5 раза).

% от контроля

500 -

450 -

400 -

350 -

300 -

250 -

200 -

150 -

¿/s

100 -

50

0

-•-»-• AC Gabriel —— Эстивум V313 —х—. Лютесценс 30 — -*— • Легенда

неделя опыта 12 3 4

Рис. 2. Динамика относительного содержания моносахаров в растениях пшеницы в ходе адаптации к алюминиевому стрессу

Сорт Легенда отличается от всех остальных сортов тем, что на протяжении всего периода воздействия ионов алюминия содержание моносахаров в листьях растений этого сорта превышает контрольные показатели. У сорта AC Gabriel после резкого подъема показателей на второй неделе происходит плавное снижение до начального уровня к концу опыта

Между относительным содержанием моносахаров в надземной массе и устойчивостью корневых систем на первой, второй и четвертой неделе наблюдалась отрицательная связь средней силы (r = -0,41...-0,64).

Вероятно, в эти периоды рост корней происходит за счет усиления притока моносахаров из надземной части растений.

Поскольку моносахара составляют только часть пула углеводов в тканях растений, динамика относительного содержания суммы сахаров (рис. 3) значительно отличается от динамики содержания моносахаров.

Для сортов AC Gabriel, Лютесценс 30 и Эстивум V313 основное отличие между динамикой относительного содержания моно- и суммарных сахаров заключается в меньшей амплитуде колебания суммарного пула углеводов. Это может свидетельство-

вать о большей роли моносахаров в процессах адаптации растений к алюминиевому стрессу Сорт Легенда, напротив, показывает большую амплитуду изменения суммарных, чем моносахаров. Вероятно, у сорта Легенда структурные полисахариды играют большую

роль в проявлении устойчивости к стрессу, чем функциональные моносахара. Для этого сорта отмечено наибольшее снижение средней доли моносахаров в общем пуле углеводов (в контрольном варианте она составляла 85,1%, в опытном - 70,1%).

450 400 350 300 250 200 150 100 50

% от контроля

-•-»-•- AC Gabriel —— Эстивум V313 —-х— Лютесценс 30 --«—Легенда

—I

1 2 3 4 неделя опыта

Рис. 3. Динамика относительного содержания суммарных сахаров в растениях пшеницы в ходе адаптации к алюминиевому стрессу

Высокая отрицательная связь между суммарным содержанием сахаров в надземной массе растений и степенью депрессии роста корневых систем была установлена на первой неделе опыта (г = -0,80). Положительная связь средней силы прослеживается на второй (г = 0,39) и третьей (г = 0,43) неделях, а на четвертой неделе снова отмечается отрицательная связь (г = -0,57).

Заключение. Исследования, проведенные в лабораторных условиях, показали, что, во-первых, разные сорта одной культуры испытывают разный уровень развития окислительных повреждений под действием стрессора абиотической природы, на что указывают различия в относительном содержании аскорбиновой кислоты в листьях растений; во-вторых, уровень устойчивости к стрессору надземных органов растений не обязательно совпадает с уровнем устойчивости корневых систем; в-третьих, наличие генетического разнообразия по изучаемым показателям неспецифической устойчивости делает перспективным селекцию на сочетание устойчивости корневых систем с устойчивостью развития надземных частей растений.

Список литературы

1. Brosche M., Kangasjarvi S., Overmyer K., Wrzaczek M., Kangasjarvi J. Stress Signaling III: Reactive Oxygen Species (ROS) // Abiotic Stress Adaptation in Plants Physiological, Molecular and

Genomic Foundation. Springer Science + Business Media B.V., 2010. P. 91-102.

2. Чиркова Т.В. Физиологические основы устойчивости растений. СПб.: Изд-во С-Пб. ун-та, 2002. 244 с.

3. Zhou G., Delhaize E., Zhou M., Ryan P.R. Biotechnological Solutions for Enhancing the Aluminium Resistance of Crop Plants // Abiotic Stress in Plants - Mechanisms and Adaptations. Croatia: InTech, 2011. Р. 119-142.

4. Duressa D., Soliman K., Chen D. Identification of Aluminum Responsive Genes in Al-Tolerant Soybean Line PI 416937 // Int. J. Plant Genomics. 2010. V. 2010. N. 3. P. 1-13. Article ID 164862.

5. Houde M., Diallo A.O. Identification of genes and pathways associated with aluminum stress and tolerance using transcriptome profiling of wheat near-isogenic lines // BMC Genomics. 2008. V. 9. article 400.

6. Guo P., Bai G., Carver B., Li R., Bernardo A., Baum M. Transcriptional analysis between two wheat near-isogenic lines contrasting in aluminum tolerance under aluminum stress // Mol. Genet. Genom. 2007. V. 277 (1). P. 1-12.

7. Duressa D., Soliman K.M., Taylor R.W., Chen D. Gene expression profiling in soybean under aluminum stress: genes differentially expressed between Al-tolerant and Al-sensitive genotypes // Am. J. Mol. Biol. 2011. V. 1. P. 156-173.

8. Lisitsyn E. M. Intravarietal level of aluminum resistance in cereal crops // J. Plant Nutrit. 2000. V. 23(6). P. 793-804.

9. Лисицын Е.М. Методика лабораторной оценки алюмоустойчивости зерновых культур // Доклады РАСХН. 2003. №3. С. 5-7.

10. Методы биохимического исследования растений /Под ред. Ермакова А.И. Л.: Агропромиздат, 1987. 429 с.

Благодарность. Авторы выражают благодарность заведующей лабораторией селекции пшеницы НИИСХ Северо-Востока к.с.-х.н. Коряковцевой Л.А. за предоставленный материал яровой мягкой пшеницы и заведующему аналитической лабораторией к.с.-х.н. Устюжанину И.А. за помощь в проведении аналитических работ.

Varietal variability of parameters of non-specific resistance of spring common wheat plants to abiotic stress

Amunova O.S., post-graduate student, Lisitsyn E.M., DSc, head of department North-East Agricultural Research Institute, Kirov, Russia

Dynamics of relative content of ascorbate, mono-carbohydrates and total carbohydrates in leaves of four wheat varieties of different ecological-and-geographic origin were investigated for study of varietal heterogeneity of wheat on manifestation of non-specific resistance against aluminum stress. It was established that increase of resistance of root systems is accompanied with decrease of relative content of ascorbate in leaves. Perhaps it is linked with increasing of outflow of ascorbic acid toward roots. There was negative relation of average force between relative content of mono-carbohydrates and root systems' resistance (r = -0.41_-0.64). Perhaps increase of outflow of monosugars from above-ground parts of plants to roots takes place. Direction and constrain force between content of total carbohydrates in above-ground parts of plants and degree of depression of root growth varied significantly during adaptation process (from r = 0.39 up to r = -0.80). Different varieties undergo different level of oxidizing damages at impact of abiotic stressor. Level of stress-resistance of above-ground part of plants does not coincide with level of stress-resistance of root systems. Existence of genetic variability on investigated parameters of non-specific resistance made possible of breeding for combination of high root resistance with high level of resistance of above-ground part of plants.

Key words: common wheat, aluminum, ascorbic acid, mono-carbohydrates, total carbohydrates, heterogeneity

References

1. Brosche M., Kangasjarvi S., Overmyer K., Wrzaczek M., Kangasjarvi J. Stress Signaling III: Reactive Oxygen Species (ROS). Abiotic Stress Adaptation in Plants Physiological, Molecular and Genomic Foundation. Springer Science + Business Media B.V., 2010. pp. 91-102.

2. Chirkova T.V. Fiziologicheskie osnovy ustoychivosti rasteniy. [Physiological basis of plant resistance]. Saint-Petersburg: Saint-Petersburg University Press, 2002. 244 p.

3. Zhou G., Delhaize E., Zhou M., Ryan P.R. Biotechnological Solutions for Enhancing the Aluminium Resistance of Crop Plants. Abiotic Stress in Plants - Mechanisms and Adaptations. Croatia: InTech, 2011. pp. 119-142.

4. Duressa D., Soliman K., Chen D. Identification of Aluminum Responsive Genes in Al-Tolerant Soybean Line PI 416937. Int. J. Plant Genomics. 2010. V. 2010. no.3. pp. 1-13. Article ID 164862.

5. Houde M., Diallo A.O. Identification of genes and pathways associated with aluminum stress and tolerance using transcriptome profiling

of wheat near-isogenic lines. BMC Genomics. 2008. V. 9. article 400.

6. Guo P., Bai G., Carver B., Li R., Bernardo A., Baum M. Transcriptional analysis between two wheat near-isogenic lines contrasting in aluminum tolerance under aluminum stress. Mol. Genet. Genom. 2007. V. 277 (1). pp. 1-12.

7. Duressa D., Soliman K.M., Taylor R.W., Chen D. Gene expression profiling in soybean under aluminum stress: genes differentially expressed between Al-tolerant and Al-sensitive genotypes. Am. J. Mol. Biol. 2011. V.1. pp. 156-173.

8. Lisitsyn E. M. Intravarietal level of aluminum resistance in cereal crops. J. Plant Nutrit. 2000. V.23(6). pp. 793-804.

9. Lisitsyn E.M. Metodika laboratornoy otsenki alyumoustoychivosti zernovykh kul'tur. [Methods for laboratory evaluation of aluminum resistance in grain crops]. Doklady RASKhN. 2003. no. 3. pp. 5-7.

10. Metody biokhimicheskogo issledova-niya rasteniy. [Methods of biochemical investigation in plants]. Edited by Ermakov A.I. Leningrad: Agropromizdat, 1987. 429 p.