CC BY
20УДК 633.63 : 631.416
шт
www. nt-prom. ru
Культивирование растений-регенерантов и эксплантов сахарной свёклы в условиях ионной токсикации
H.H. ЧЕРКАСОВА, Е.О. КОЛЕСНИКОВА, канд. биолог. наук
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Всероссийский научно-исследовательский институт сахарной свёклы и сахара имени А.Л. Мазлумова» (е-mail: biotechnologiya@mail.ru)
Введение
В последнее время вследствие усиления техногенной нагрузки в почвах сельскохозяйственного назначения повышается содержание ионов металлов, приводящее к обширным патологическим изменениям в тканях растительного организма.
Несмотря на различие физиологических механизмов, все ионы металлов нарушают окислительно-восстановительные процессы в клетках растений. При этом снижается усвояемость основных питательных веществ, что, в свою очередь, вызывает угнетение развития корневой системы, снижение интенсивности дыхания, торможение фотосинтеза, хлороз (некроз) листьев и возможную гибель растения [1]. Сахарная свёкла очень требовательна к плодородию почв и отзывчива к изменению химического состава данного компонента агроце-ноза, в том числе к техногенному загрязнению. Свинец является одним из приоритетных загрязнителей среди тяжёлых металлов. В связи с этим селекция, направленная на создание форм сахарной свёклы толерантных к ионам тяжёлых металлов, имеет большое значение, так как позволяет существенно увеличить урожайность у адаптивных форм.
Актуальное направление создания новых сортов — клеточная
селекция на основе использования ионов тяжёлых металлов. Это обусловлено повышенной чувствительностью изолированных тканей к стрессовым факторам и резкому увеличению уровня наследственной изменчивости, что позволяет значительно ускорить темпы селекции по созданию устойчивых форм [3, 4, 7].
Достижения последнего времени подтвердили перспективность использования метода клеточной селекции для получения устойчивого к тяжёлым металлам растительного материала. Получены толерантные к ионам металлов растения льна-долгунца, ячменя, табака и др. [6, 9].
Работы по отбору устойчивых к ИТМ форм сахарной свёклы до сих пор не проводились. В связи с этим изучение морфогенетиче-ских свойств регенерантов сахарной свёклы, индуцированных на селективных средах, для получения нового устойчивого исходного материала является актуальным.
Целью исследований было изучение условий культивирования ре-генерантов сахарной свёклы на селективных средах с ионами свинца для получения устойчивых форм сахарной свёклы.
Материалы и методы
исследования
В работе были использованы генотипы сахарной свёклы Рамон-
ской селекции лаборатории исходного материала.
Культивирование эксплантов и микроклонов осуществлялось на питательной среде Гамборга при температуре 23—26 оС [5]. Для регенерации побегов использовали микроклоны, семена, основания черешков, листья, черешки.
Проращивание семян проводили в условиях интенсивного освещения. Семена предварительно обеззараживали. Для моделирования селективных условий к основной среде добавляли РЬ(СН3 СОО)2.
Результаты исследований
и обсуждение
Исследования показали, что присутствие в питательной среде ацетата свинца в низкой концентрации приводило к снижению интенсивности ростовых процессов микроклонов (табл. 1).
Повышение концентрации селективного агента на 0,05 % способствовало ещё большему угнетению интенсивности роста и развития регенерантов при сохранении жизнеспособности. Увеличение дозы РЬ(СН3 СОО)2 до 0,20—0,30 % приводило к гибели растений всех генотипов. Согласно наблюдениям питательная среда с содержанием ионов свинца 0,10—0,15 % явилась сублетальной, подходящей для отбора форм сахарной свёклы с устойчивостью к тяжёлым металлам.
СОВРЕМЕННЫЙ ИНЖИНИРИНГ В ПРОИЗВОДСТВЕ САХАРА
www.nt-prom.ru
В качестве исходного материала для регенерации устойчивых растений могут быть использованы органогенные сегменты листьев или различные меристематиче-ские и стеблевые части растений, а также зрелые зародыши [2].
Исследования показали, что прорастание семян сахарной свёклы при концентрации селективного агента 0,10—0,15 % составило 15—55,5 %, с выживаемостью реге-нерантов от 7,5 до 27,2 % (табл. 2).
Увеличение содержания РЬ(СН3 СОО)2 до 0,20-0,30 % обеспечивало создание более жёстких условий отбора, оказывая губительное действие на прорастание семян, снизившееся до 10-15 %. Дальнейшее развитие регенерантов зависело от генотипа. Число выживших проростков у многосемянного опылителя составило 3,35-7,5 %, в то время как у стерильных форм наблюдалось полное подавление ростовых процессов и гибель регене-рантов (рис. 1).
По результатам исследований стало ясно, что зрелые зародыши проявляли особую устойчивость к воздействию ионов тяжёлых металлов. Это связано с тем, что ионы металлов размещаются в основном в клеточных стенках семенной оболочки, не попадая в зародыши. Поэтому семена способны прорастать при высоких дозах данных токсинов в окружающей среде. Увеличение количества тяжёлых металлов до летальных доз резко замедляет или полностью
Таблица 1. Влияние различных концентраций ионов свинца на развитие
регенерантов сахарной свёклы
Генотип Концентрация РЬ(СН3 СОО)2, % Начальная высота, см Увеличение высоты
см %
МС-2113 0 1,60±0,55 1,07±0,75 71,67
ОПМ 14044 1,90±0,95 1,24±0,90 69,40
МС-2113 0,05 1,94±0,50 0,81±0,45 41,80
ОПМ 14044 2,14±1,25 0,62±0,25 35,00
МС-2113 0,10 1,86±0,85 0,41±0,4 26,30
ОПМ 14044 1,85±0,85 0,41±0,4 25,80
МС-2113 0,15 2,45±1,40 0,14±0,38 4,72
ОПМ 14044 2,30±1,05 0,15±0,4 5,13
МС-2113 0,20 1,72±0,45 0 0
ОПМ 14044 1,52±0,65 0 0
Таблица 2. Влияние различных концентраций ионов свинца на ростовые свойства
зрелых зародышей сахарной свёклы в культуре тканей
Генотип Концентрация РЬ(СН3 СОО)2 % Количество, %
Проросло семян Выжило проростков
МС-2113 0 57,6 57,6
ОПМ 14044 60,9 60,9
МС-2113 0,05 55,0 35,0
ОПМ 14044 61,1 27,7
МС-2113 0,10 40,9 27,2
ОПМ 14044 55,0 25,0
МС-2113 0,15 15,0 7,5
ОПМ 14044 25,0 10,0
МС-2113 0,20 10,0 -
ОПМ 14044 15,0 7,5
МС-2113 0,25 - -
ОПМ 14044 10,0 5,0
МС-2113 0,30 - -
ОПМ 14044 13,3 3,35
блокирует процесс прорастания, поскольку на заключительной стадии набухания они проникают через семенную оболочку и за счёт ингибирования растяжения клеток зародыша и процессов деления вызывают задержку прорастания [8].
Исследования позволили выявить, что листовые экспланты сахарной свёклы оказались наиболее чувствительными к ионному стрессу (рис. 2).
шт
www.nt-prom.ru
Уже при 0,05 % концентрации ионов свинца их выживаемость варьировала от 0 до 2,5 % (табл. 3).
Наилучшей регенерационной способностью обладали черешки и основания побега в зависимости от генотипа (рис. 3).
Данная работа позволила выявить летальную и сублетальную концентрацию ионов свинца для отбора устойчивых регенерантов сахарной свёклы.
Заключение
В ходе проведённых экспериментов была выявлена селективная концентрация РЬ(СН3 СОО)2 0,10—0,15 % в питательной среде для отбора регенерантов сахарной свёклы с устойчивостью к ионной токсикации. В селективных условиях самой высокой регенераци-онной способностью (всхожесть 15—55,5 % при выживаемости ре-генерантов 7,5—27,2 %) обладали
Таблица 3. Влияние селективного фактора РЬ(СН3СОО)2 на процессы регенерации различных эксплантов сахарной свёклы
Генотип Концентрация Pb(CH3COO)2 % Количество регенерирующих эксплантов, %
Лист Черешок Основание побега
Регенерировало Выжило Регенерировало Выжило Регенерировало Выжило
МС-2113 0 15,0 15,0 25,0 21,0 37,0 35,0
ОПМ 14044 17,0 17,0 32,0 30,0 33,0 30,0
МС-2113 0,05 5,0 2,5 2,5 2,5 7,5 5,0
ОПМ 14044 0 0 10 7,5 4,2 2,5
МС-2113 0,10 0 0 0 0 0 0
ОПМ 14044 0 0 0 0 2,5 0
3
Рис. 2. Влияние ионов свинца на регенерационную способность листьев: № 1- контроль; № 2, 3 — 0,05%-ный ацетат свинца; № 4 — 0,10%-ный ацетат свинца
ш
2
1
M ИИИ
3
Ч
Рис. 3. Регенерация из черешков, основания побегов под влиянием ионов свинца: № 1, 2 — контроль; № 3, 4 — 0,05%-ный ацетат свинца; № 5, 6-0,10%-ный ацетат свинца
зрелые зародыши сахарной свеклы, а наименьшей — листья. Летальным явилось содержание в питательной среде Pb(CH3 COO)2 равное 0,20— 0,30 %. При отборе устойчивых ре-генерантов из вегетативных тканей оптимальной явилась концентрация селективного агента — 0,05 %.
Полученные результаты будут использоваться при проведении отборов in vitro регенерантов сахарной свеклы, устойчивых к ионному стрессу.
Список литературы
1. Алексеев, Ю.В. Тяжелые металлы в агроландшафте / Ю.В. Алексеев. — СПб., 2008. — 216 с.
2. Современные проблемы и методы биотехнологи / Н.А. Войнов [и др.] // Красноярск, 2009. — С.418.
3. Гладков, Е.А. Биотехнологические методы получения растений с устойчивостью к кадмию и свинцу / Е.А. Гладков // Сельскохозяйственная биология. — 2008. — № 3. - С. 18-22.
4. Гончарук Е.А., Калашникова Е.А. Изучение морфофизиологи-ческих реакций генотипов льна-долгунца в различных условиях выращивания при воздействии соли кадмия / Е.А. Гончарук, Е.А. Калашникова // Сельскохозяйственная биотехнология. -2000. - Т. 1. - С. 88-99.
5. Знаменская, В.В. Микроклонирование in vitro как метод поддержания и размножения линий сахарной свёклы / В.В. Знаменская // Энциклопедия рода Beta:
Биология, генетика и селекция свёклы. - Новосибирск, 2010. -С. 420-437.
6. Сергеева, Л.Е. Осморегуля-ция Сd-устойчивых клеточных линий табака и их регенерантов в условиях осмотического стресса in vitro / Л.Е Сергеева, Л.И. Бронникова, Е.Н. Тищенко // Биотехнология. - Т. 4. - № 5. - 2011. -С. 103-108.
7. Таланова, В.В. Фитогормоны как регуляторы устойчивости растений к неблагоприятным фак-
торам среды: автореф. дис. ... д-р биолог. наук / В.В. Таланова // Петрозаводск, 2009. - 47 с.
8. Устойчивость растений к тяжёлым металлам / А.Ф. Титов [и др.] // Петрозаводск, 2007. -172 с.
9. Щуплецова, О.Н. Повышение устойчивости ячменя к токсичности металлов и осмотическому стрессу путём клеточной селекции / О.Н. Щуплецова, И.Г. Широких // Зерновое хозяйство России. - 2015. - № 1. - С. 124-135.
Аннотация. Установлены параметры, обеспечивающие получение устойчивых к ионной токсикации микроклонов сахарной свёклы. Показана регенерационная способность различных эксплантов в селективных условиях in vitro, обусловленных присутствием в питательной среде ацетата свинца.
Ключевые слова: стресс, регенерация, in vitro, ацетат свинца, селективная питательная среда, сахарная свёкла, ионная токсичность.
Summary. Set the parameters that retrieve is resistant to ionic toxicity of microclonal sugar beet. The regenerative ability of various explants under selective conditions in vitro due to the presence of lead acetate in the nutrient medium is shown.
Keywords: stress, regeneration, in vitro, lead acetate, selective nutrient medium, sugar beet, ion toxicity.
