Первичные результаты космического эксперимента с семенами хозяйственно-полезных сельскохозяйственных культур на космическом аппарате Фотон-М №4

Милехин Алексей Викторович; Мальчиков Петр Николаевич; Катюк Анатолий Иванович

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т.17, №4(3), 2015

УДК 631.531:629.78

ПЕРВИЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ КОСМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА С СЕМЕНАМИ ХОЗЯЙСТВЕННО-ПОЛЕЗНЫХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ КУЛЬТУР НА КОСМИЧЕСКОМ АППАРАТЕ ФОТОН-М №4

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Самарский научно-исследовательский институт сельского хозяйства имени Н.М. Тулайкова»,

п.г.т. Безенчук, Самарская область

Статья поступила в редакцию 20.11.2015

Изложены первичные результаты космического эксперимента с семенами высших растений, проведенного на космическом аппарате Фотон-М №4. Представлены материалы полевых наблюдений и лабораторных анализов за 2015 г.

Ключевые слова: космический эксперимент, семена сельскохозяйственных культур, факторы космического полета.

При создании новых форм культурных растений с комплексом хозяйственно-значимых признаков в процессе селекции селекционер сталкивается с ограниченностью возможностей внутривидового рекамбиногенеза. Для расширения генотипической вариабельности разрабатываются новые методы (индуцирование эпигенетической экспрессии «спящих» генов, межвидовая гибридизация в сочетании с индуцированным мутагенезом, трансгеноз и др.). Наш опыт показывает, что электромагнитное или радиационное облучение является наиболее эффективным в создании нового исходного материала различных сельскохозяйственных культур. В 1983 году при облучении сухих семян сорта гороха Куйбышевский гамма-лучами в дозе 12 кило рентген была выделена линия БМ-2-2-239/1 с новым признаком роста стебля. Растения этой линии характеризовались компактным верхушечным расположением бобов, такая конструкция обеспечивала дружное их созревание, что облегчало механизированную уборку. Впоследствии эта линия послужила источником создания целой серии сортов гороха «Флагман», характеризующихся высокой урожайностью и качеством зерна, а самое главное пригодностью к уборке прямым комбайнированием.

Однако до сих пор многие проблемы не решены до конца. Условия космического полёта (минимальное влияние магнитного поля Земли, отсутствие гравитации, ионизирующее

Милехин Алексей Викторович, кандидат сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник. Мальчиков Петр Николаевич, доктор сельскохозяйственных наук, главный научный сотрудник лаборатории селекции яровой твердой пшеницы. E-mail: sagrs-mal@mail.ru Катюк Анатолий Иванович, кандидат сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник. E-mail:samniish@mail.ru

и электромагнитное космическое излучение) теоретически могут повлиять на процессы экспрессии генов и рекомбиногенеза, что может расширить веретено генотипической вариабельности и получить новые хозяйственно значимые генетические конструкции.

Таким образом, основная задача, поставленная нами в эксперименте - изучить влияние факторов космического полета на морфобиоло-гические, генетические признаки и свойства, а также характер их наследования у различных сельскохозяйственных культур с целью дальнейшего создания нового исходного материала, увеличения биоразнообразия культур и последующего создания перспективных сортов, адаптированных к различным агроэкологическим условиям Российской Федерации.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА

Полет российского научно-исследовательского спутника Фотон-М №4, запущенного на орбиту Земли с космодрома «Байконур» 19 июля 2014 года, выполнялся в рамках научной программы Совета Российской академии наук по космосу и Федерального космического агентства России. Аппарат был запущен в космос для проведения экспериментов в области биологии, физиологии, космической технологии и биотехнологии в условиях микрогравитации. На борту биокапсулы находились гекконы, мухи-дрозофилы, яйца шелкопряда, грибы, а также семена хозяйственно-значимых сельскохозяйственных культур (яровая мягкая и твёрдая пшеница, горох, картофель). Для проведения космических экспериментов учёными ФГБНУ «Самарский НИИСХ» было подготовлено 30 биообразцов семян в пластиковых пакетах по 50 грамм в каждом. Контрольная группа биообразцов находилась на хранении в лабораториях института.

После экспонирования в космосе семена были доставлены для лабораторного и полевого изучения в лаборатории ФГБНУ «Самарский НИИСХ».

В научном эксперименте «Генетика - горох» участвовали сорта, линии и гибриды F2 гороха разных морфотипов.

Изучаемым материалом служили сорта Куйбышевский, Флагман 10, Спартак, линии Б-2860/19УЛюпН, УГН, Б-1818ЛДетН, Б-3612/18УД и гибридные популяции Б-3995, Б-3933. Схема опыта предусматривала три варианта: 1. контроль (семена хранившиеся в наземных условиях); 2. вариант «ГИПО» (семена, находившиеся во время полета в гипомагнитном модуле); 3. вариант «НЭ» (семена, находившиеся во время полета в обычном модуле).

Посев экспериментальных семян проводили в тепличном комплексе Самарского НИИСХ, ручными сеялками. Площадь делянки 1,25м2, повторность однократная. В течение вегетации проводились фенологические наблюдения. Перед уборкой с каждой делянки были отобраны растения (25 шт.) для определения структуры урожая по признакам: число бобов, число семян и масса семян с растения. В гибридных популяциях проводился разбор растений по типу листа.

Материалом для исследования в научном эксперименте «Генетика - пшеница» были семена 5 сортов яровой твёрдой пшеницы различного эколого-географического происхождения (Без-енчукская золотистая, Безенчукская крепость, 1307д-54, Корона (Казахстан), Akkille (Италия)).

Полевой эксперимент был организован путем посева семян на шестирядковых делянках площадью 1,0м2 в двух повторениях с рендомизиро-ванным размещением по блокам. В период вегетации проведены фенологические наблюдения, дана оценка вариантов по степени устойчивости к засухе, листовым пятнистостям (Alternaria spp.)

и патогенам «черного зародыша».

В эксперименте « Генетика-пшеница» влияние сортов объединено одним фактором, условно обозначенным «фактор В». Воздействие космических условий на семена «фактор А», так же, как и в предыдущем опыте, было регламентировано 2-мя уровнями: 1) «НЭ» (семена, находившиеся во время полета в обычном модуле), 2) «ГИПО» (семена, находившиеся во время полета в ги-помагнитном модуле). Контрольный вариант был представлен растениями, выращенными из семян той же репродукции, из которой были отобраны образцы для космического полета.

Влияние космического фактора (фактор А), особенностей генотипа (сорта) (фактор В) и их взаимодействия (А*В) были изучены по степени проявления на растениях 12 признаков: КДК (количество дней от посева до колошения), ЧР (число растений на 1,0 м2 ), ПК (продуктивное кущение), БР (биомасса 1 растения), МЗР (масса зерна с 1 растения), ЧЗР (число зерен с растения), ЧКК (число колосков в колосе), ЧЗКК (число зерен в колоске), М1000 (масса 1000 зерен), ДС (длина соломины), К. хоз. р. (хозяйственный коэффициент растения), К. хоз. к. (хозяйственный коэффициент колоса).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Опыт «Генетика - горох»

Фенологические наблюдения за развитием гороха не выявили существенных различий по вариантам опыта (табл. 1).

Анализ продуктивности гороха по массе зерна, числу бобов и семян с растения не выявил достоверных различий по вариантам опыта (табл. 2). Анализ характера расщепления гибридных популяций Б2 по форме листа также не выявил различий в

Таблица 1. Дата цветения образцов гороха

Опытные образцы гороха Контроль ГИПО НЭ

Куйбышевский 13/06 13/06 13/06

Спартак 15/06 15/06 15/06

Флагман 10 13/06 13/06 13/06

Рассеченный лист 14/06 14/06 14/06

Линия УГН 18/06 18/06 18/06

Линия Б-2660/19УЛюпН 17/06 17/06 17/06

Линия 1818 ДН 13/06 13/06 13/06

Таблица 2. Продуктивность образцов гороха

Опытные образцы гороха Масса семян с растения, г Количество бобов с растения, шт. Количество семян с растения, шт.

Контроль ГИПО НЭ Контроль ГИПО НЭ Контроль ГИПО НЭ

Куйбышевский 3,9 3,4 3,3 5,1 4,4 3,8 16,3 13,7 12,8

Спартак 3,2 3,8 4,4 4,2 4,8 5,4 11,0 14,3 15,8

Флагман 10 3,4 3,7 3,9 4,3 4,0 4,6 12,2 12,7 13,8

Рассеченный лист 4,6 3,6 4,2 5,9 4,7 4,8 17,8 12,9 15,1

Линия УГН 3,0 3,3 3,7 3,2 3,5 3,7 11,3 13,3 14,6

Линия Б-2660/19УЛюпН 2,6 3,0 3,0 4,8 5,0 4,9 9,6 11,6 11,8

Линия 1818 ДН 3,2 3,5 3,2 3,1 3,6 3,9 12,0 11,8 12,0

Б3933Р2 - 4,6 5,3 4,2 4,8 4,4 10,8 13,5 12,7

Б3995Р2 4Д 4,7 5,7 4,2 4,4 5,2 15,0 16,9 22,3

контроле и вариантах. В контроле расщепление составило: 36 растений с обычным парноперестым листом, 9 - с усатым листом и 8 - с рассеченным листом. В варианте «ГИПО» расщепление составило: 33 растения с парноперестым листом, 8 - с усатым листом и 8 - с рассеченным листом. В варианте «НЭ» расщепление составило: 41 - с парноперестым листом, 7 - с усатым листом и 7 - с рассеченным листом. В контроле и вариантах расщепление одинаково и соответствует отношению 10:3:3.

Таким образом, среда, в которой находились семена в состоянии покоя во время космического полета, не повлияла на выраженность морфологических и биологических признаков растений выросших из этих семян.

Опыт «Генетика-пшеница»

В результате проведенных биометрических исследований в эксперименте «Генетика-пшеница» отмечено достоверное влияние (БМ^ фактора «А» (космос) на семь следующих признаков: КДК, ПК, БР, МЗР, ЧЗР, ЧЗКК, ДС. Эффекты взаимодействия факторов «А» (космос) и «В» (сорт) были значимы для пяти признаков: КДК, ЧР, ПК, ДС, К. хоз. р. Значимые эффекты сортов в эксперименте - фактор «В», наблюдались по десяти или наибольшему числу признаков: ДК, ЧР, БР, МЗР, ЧЗР, ЧЗКК, М1000, ДС, К. хоз. р., К. хоз. к. (табл.3, 4, 5, 6). Преобладание фактора «В» (сорт) в общей дисперсии по большему числу признаков

Таблица 3. Значимость компонентов дисперсии, изученных признаков по результатам 2-х факторного дисперсионного анализа

Источник дисперсии Критерий Фишера и его значимость по признакам

КДК ЧР ПК БР МЗР ЧЗР ЧКК ЧЗКК М 1000 ДС К. хоз Р К. хоз к

Блоки 3,19 11,7* 1,99 1,93 0,074 0,61 1,33 0,15 10,6* 3,7 5,5*

Варианты 22,9* 6,9* 2,87* 4,7* 9,92* 7,1* РМ* 4,35* 6,30* 74,6* 10,9* 7,9*

Факторы:

А (космос) 18,1* 1,45 4,29* 15,4* 13,9* 12,2* РМ* 4,44* 0,93 4,3* 1,8 2,1

В (сорт) 54,1* 17,3* 1,45 7,0* 23,6* 13,5* РМ* 8,12* 20,2* 248,4 >!< 29,8* 21,7*

АВ 8,4* 3,1* 3,22* 0,9 2,1 2,6 РМ* 2,44 0,68 5,3* 3,7* 2,5

Значения критерия Фишера значимые на 5% уровне

Таблица 4. Величина признаков, формирование которых зависело от действия космических факторов

Варианты фактора "А" КДК ПК БР МЗР ЧЗР ЧЗКК М1000 ДС

Контроль 50,6Ь 1,49аЬ 4,26Ь 1,75Ь 42,6Ь 2,33Ь 41,3 67,0Ь

«НЭ» 47,7а 1,33а 3,22а 1,30а 33,1а 2,04а 39,9 65,1а

«ГИПО» 48,3а 1,55Ь 4,11Ь 1,62Ь 40,5Ь 2,07а 40,3 64,6а

Значения, сопровождаемые одинаковыми буквами не различаются по критерию Дункана

Таблица 5. Величина признаков, формирование которых зависело от особенностей генотипа сортов

Варианты КДК ЧР БР МЗР ЧЗР ЧЗКК М 1000 ДС К.хоз К.хоз

фактора"В" на 1м2 Р К

Без.золотистая 44,3а 324,1Ь 4,15Ь 1,88с 43,2Ь 2,33Ь 45,0с 65,9Ь 45,6а 69,1Ь

Без.крепость 47,4Ь 277,5Ь 4,09Ь 1,78с 43,1Ь 2,22Ь 42,4Ьс 70,3с 43,6са 68,8Ь

1307Д-54 48,4Ь 296,9Ь 4,24Ь 1,77с 41,7Ь 2,23Ь 43,1с 70,6с 41,6с 65,1Ь

Корона 53,3а 296,9Ь 3,82Ь 1,41Ь 38,4Ь 2,30Ь 36,9а 76,3а 37,1Ь 65,9Ь

АккШе 50,8с 162,6а 3,04а 0,94а 27,1а 1,66а 35,1а 44,5а 30,2а 50,4а

Значения, сопровождаемые одинаковыми буквами не различаются по критерию Дункана

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, т.17, №4(3), 2015

Таблица 6. Величина признаков в зависимости от всех вариантов эксперимента

Вариант Сорт КДК ЧР ПК БР МЗР ЧЗР ЧЗКК М 1000 ДС К хоз. р К. хоз. к

Контроль БЗ 44,0а 333е^ 1.8е 4,7№ 2,1h 46,2ае 2.32с 46^ 68.8е5 44.1d-g 68^

БК 47.0М 283а-Г 1.5а-е 4,2с-Ь 1,8d-h 42,8ае 2.25с 42.4g 71.6е5 42.5d-g 684^

1307 -54д 48.5 266с-5 1,6а-е 4,7gh 1,9^ 47,5е 2.36с 42.3c-g 71Ы 41.0c-g 67.1cd

Корона 58,0Ь 270а-Г 1,2аЬ 4,2с-Ь 1,6c-g 39,0сае 2.46с 38.9Ь-Г 77.6gh 37.6cd 65.2cd

ЛккШе 55,3g 178аЬ 1,4а-а 3,6а-е 1,4са 37,4сае 2.26с 36.8аЬ 45.2Ь 38^ 60.1Ьс

НЭ БЗ 44,0а 385g 1,4а-е 3,5а-е 1,6c-h 37,8сае 2.29с 44.7g 61.7с 46.3fg 69.9cd

БК 47,5сй 320^ 1,3аЬ 3,6а-е 1,6с-h 39,4сае 2.41с 42.4e-g 69.0е5 45.9e-g 7Ш

1307д -54 48,3ае 318а-g 1,2а 3,1а-с 1,3Ьс 29,8аЬс 2.00Ьс 43.3fg 67.9е5 40.9c-g 61.6cd

Корона 50,5еГ 270а-Г 1,6Ь-е 3,4а-а 1,3с 36,0Ьса 2.06с 36.8аЬ 79.2h 38.0cd 66.2cd

ЛккШе 48,3ае 147а 1,2аЬ 2,5а 0,7а 22,5а 1.44а 32.5а 47.6Ь 27.0а 49.6а

ГИПО БЗ 45,0а-с 255Ь-е 1,4а-е 4,2d-h 2,0gh 45,7ае 2.37с 44.4g 67.4ае 46^ 69.1cd

БК 47,8а 230а-а 1,8а-е 4,5e-h 1,9e-h 47,2ае 2.01с 42.4d-g 70.2е5 42.5d-g 66^

1307д -54 48,5ае 306^ 1,7с-е 4,9h 2,^ 47,9е 2.31с 43.5fg 72.35 42.8d-g 66.6cd

Корона 51,35 351% 1,4а-а 3,9Ь^ 1,4са 40,2сае 2.39с 35.2аЬ 72.25 35.8Ьс 66.4cd

ЛккШе 48,8^ 163а 1,4а-с 3,0аЬ 0,8а 21,4а 1.27а 36.0аЬ 40.7а 24.9а 41.7а

Значения, сопровождаемые одинаковыми буквами не различаются по критерию Дункана

во многом объясняется значительными различиями в уровне адаптивности сортов местной и инорайонной селекции.

Продолжительность периода «всходы-ко-лошение» определяется функционированием в геноме твердой пшеницы генетических систем яровизации (Угп гены), нечувствительности к фотопериоду (гены Ррф и скороспелости как таковой (гены рег 8е) (Стельмах А.Ф.1987, Гончаров Н.П., 2002), интенсивности освещения (гены ЯН) (Евтушенко, Чекуров, 2000). Значимое влияние космических факторов на скорость развития растений (признак КДК) полностью объясняется сокращением продолжительности периода «всходы-колошение» поздних сортов инорайонного происхождения (Корона и ЛккШе). Скорость развития сортов местной (безенчукской) селекции практически не зависела от воздействия факторов космического полета. Наиболее вероятным объяснением этих результатов может быть чувствительность к воздействию факторов космического полета генов яровизации (Угп). Это связано с тем, что поздние генотипы, содержащие рецессивные аллели хотя бы в одном локусе генетической системы отзывчивости на яровизацию, реагируют на воздействие экстремальных факторов (низкие температуры) ускорением развития в период «всходы-колошение». Наиболее сильное воздействие на элементы продуктивности растений были отмечены на варианте «НЭ». Здесь значительная депрессия по отношению к контролю и варианту «ГИПО» наблюдалась по признакам: БР, МЗР, ЧЗР. По признаку БР на варианте «НЭ» различий между сортами не наблюдалось. В тоже

время на контрольном варианте наиболее низкая продуктивность отмечена у итальянского сорта ЛккШе. Это означает, что адаптивные свойства сортов из России и Казахстана, влияющие на эффективность продукционных процессов, были ингибированы на варианте «НЭ». В тоже время преимущество этих сортов над ЛккШе на варианте НЭ по МЗР, ЧЗР, ЧЗК сохранилось, что, видимо, можно объяснить ослаблением влияния на продукционные процессы этих сортов эффектов космического полёта (вариант «НЭ») во второй половине вегетации.

Признак ЧР зависит от всхожести и выживаемости растений в период вегетации. Посев, выполненный кондиционными семенами неадаптированного сорта даже при соблюдении технологических требований, может значительно изредиться, и привести к снижению показателя ЧР (Мальчиков П.Н., 2009).

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

В нашем эксперименте значимым были эффекты сорта и взаимодействия исследуемых факторов, что объясняется относительно низким уровнем признака у итальянского сорта «ЛккШе» на всех вариантах фактора «А». Влияние условий космического полёта на этот признак было незначимо.

Продуктивное кущение (ПК) сильно зависит от условий среды (норма высева, плотность стеблестоя, температура, условия увлажнения и обеспеченность посевов элементами минерального питания в период кущения) и генотипа сорта. Достоверных различий между вариантами условий космического полёта и контролем по этому признаку не наблюдалось. Достоверными различия по признаку отмечены между вариантами космического полёта с более высоким

значением на варианте «ГИПО», что связано с положительным откликом сортов Безенчукская крепость и 1307д-54.

Значения признаков ЧЗКК и ДС на обоих вариантах условий космического полёта («НЭ», «ГИПО») достоверно ниже, чем на контрольном варианте. По признаку ЧЗКК это полностью объясняется сильной реакцией на воздействие факторов космического полёта сорта ЛккШе. Значимое снижение ДС под воздействием факторов космического полёта объясняется реакцией сортов несущих гены редукции высоты растений - Безенчукская золотистая (ЯМЛпЬ) и ЛккШе (ЯМЫ). Однако у Безенчукской золотистой ДС не связано с уменьшением биомассы растений в сравнении с другими сортами, у сорта ЛккШе эти процессы сопряжены. Признаки характеризующие распределение биомассы растений между зерном и вегетативной сферой варьировали под влиянием особенностей генотипов. Снижение значений этих признаков у сорта ЛккШе было недостаточным для доказательства влияния на эти признаки факторов космического полёта.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, проведенные лабораторные и полевые эксперименты показывают различную степень и характер влияния факторов космического полета как на культуры, так и на сорта. Для установления достоверного влияния необходимо проведения дополнительных исследований на клеточном уровне с использованием современных биотехнологических, молекулярно-генетических методов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Стельмах, А.Ф. Генетические эффекты локусов Угп 1-3 и специфическое действие доминантного Угп 3 аллеля у мягкой пшеницы/ А. Ф. Стельмах // Цитология и генетика, 1987. Т.24. № 4. С.278-286.

2. Гончаров Н.П. Сравнительная генетика пшениц и их сородичей /Н.П.Гончаров // Новосибирск.- 2002.-251с.

3. Евтушенко Е.В. Генетическое разнообразие по реакции на интенсивность света у сортов мягкой пшеницы (ТгШсиш аеэИуит Ь.) / Е.В.Евтушенко, В.МЧекуров //Генетика. - 2000.- Т.36.-№5.-С.666-672.

4. Мальчиков П.Н. Селекция яровой твердой пшеницы в Среднем Поволжье: Дисс. ... докт. с/х. наук. Бе-зенчук, 2009. 402 с.

THE INITIAL RESULTS OF THE SPACE EXPERIMENT WITH SEEDS OF ECONOMICALLY VALUABLE CROPS ON THE SPACECRAFT FOTON-M №4

Samara Research Scientific Institute of Agriculture named after N.M. Tulaikov,

Bezenchuk, Samara Region

We presented the initial results of the space experiment with the seeds of higher plants, carried on the spacecraft Foton-M №4. Materials of field observations and laboratory analyzes for 2015. Keywords: space experiment, the seeds of crops, the factors of space flight.

AlexeyMilyokhin, Candidate ofAgricultural Sciences, Leading

Researcher. E-mail: samniish@mail.ru

Petr Malchikov, Doctor ofAgricultural Science, Major Scientist

of Samara Research Institute of Agriculture.

E-mail: sagrs-mal@mail.ru

Anatoly Katyuk, Candidate ofAgricultural Sciences, Leading Researcher. E-mail: samniish@mail.ru