CC BY
1УДК 577.1:576.32/.36
Г. В. Мозгова, М. С. Парфенчик, А. А. Буракова, В. Н. Кипень, В. А. Лемеш, Л. В. Хотылёва
ПРИМЕНЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНЫХ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ МАРКЕРОВ ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ПРЕДСТАВИТЕЛЕЙ СЕМЕЙСТВА BRASSICACEAE L. К АБИОТИЧЕСКИМ СТРЕССАМ:
ХОЛОДУ И ЗАСУХЕ
Государственное научное учреждение «Институт генетики и цитологии Национальной академии наук Беларуси» Республика Беларусь, 220072, г. Минск, ул. Академическая, 27 e-mail: [email protected]
В исследовании дана характеристика 15 генотипов представителей семейства Brassicaceae L., выращенных в условиях кратковременного холодового стресса (+3 °С) и засухи (7,5% ПЭГ 6 000), по физиологическому показателю (утечка электролитов) и двум микросателлитным маркерам, ассоциированным с устойчивостью к абиотическому стрессу (Na10-C03, 01113-G05). Установлена значимая связь между наличием отдельных аллелей микросателлитного маркера Na10-C03 и вариацией показателя «электрическая кондуктивность» форм видов B. napus и B. rapa в условиях холодового стресса. Сорта рапса Гордон КВС и Кодиак, несущие аллель 334 п. н. и обладающие низкими значениями электрической кондуктивности в условиях холодового стресса, являются ценными генотипами при селекции на холодоустойчивость. Сорт капусты полевой Gruber рекомендован для использования в качестве контроля для исследования механизмов холодостойкости и засухоустойчивости.
Ключевые слова: абиотический стресс, малоновый диальдегид, Brassica L., микросателлитные маркеры, электрическая кондуктивность, утечка электролитов.
Для цитирования: Применение молекулярных и физиологических маркеров для комплексного исследования устойчивости представителей семейства Brassicaceae L. к абиотическому стрессу: холоду и засухе / Г. В. Мозгова, М. С. Парфенчик, А. А. Буракова [и др.] // Молекулярная и прикладная генетика: сб. науч. тр. / Ин-т генетики и цитологии НАН Беларуси; редкол.: А. В. Кильчевский (гл. ред.) [и др.]. - Минск, 2024. - Т. 37. - С. 5-14.
Введение
Семейство Капустные (Brassicaceae L.) включает в себя ценные сельскохозяйственные культуры масличного, кормового и овощного назначения, такие как рапс, сурепица, репа, брюква, капуста огородная и др. [1]. Рапс — естественный амфидиплоид, возникший в результате скрещивания капусты полевой Brassica rapa (B. campestris) (n = 10, геном AA) с капустой огородной Brassica oleracea (n = 9, геном CC) и последующего удвоения числа хромосом. В кариотипе B. napus присутствует 38 хромосом (n = 19, геном AACC). Таким образом, B. napus имеет наиболее сложный геном по сравнению с другими представителями семейства Brassicaceae, и многие гены, контролирующие хозяйственно-ценные признаки, представлены в двух и более копи-
ях, расположенных в А- и С-геномах аллоте-траплоидного генома [2], хромосомы которого обозначаются от А01 до А10 и от С01 до С09 [3].
За период роста и развития растения подвергаются различным типам стресса, таким как абиотические (засуха, экстремальные температуры, засоление, тяжелые металлы) и биотические (вредители, болезни), из которых абиотические стрессы являются основными факторами, влияющими на рост и урожайность продовольственных культур [4, 5]. Исследование механизмов формирования устойчивости к пониженным температурам и засухе у представителей семейства Brassicaceae, а также работы по ДНК-маркированию ценных генотипов для создания сортов с повышенной устойчивостью к пониженным тем-
пературам и засухе являются актуальными, поскольку на рост, развитие и, как следствие, продуктивность сельскохозяйственных сортов данного семейства оказывают воздействие оба вида абиотического стресса.
Устойчивость к жаре и засухе, как и к холоду, является сложно наследуемым признаком и контролируется количественными генами. Установлено, что индуцированная жарой или холодом перекрестная толерантность — распространенное для растительного мира явление, которое возникает в результате совместной активации множества стрессовых сигнальных факторов, изменения экспрессии ряда генов, включая сигнальные пути с вовлечением абсцизовой кислоты, генов, контролирующих синтез ненасыщенных жирных кислот, ряда транскрипционных факторов [6, 7]. В то время как конкретные механизмы восприятия и адаптации зависят от типа стрессов, итоговые процессы передачи сигнала опираются на схожие сигнальные пути [8].
Для растений характерны три фазы развития стресса [9]: 1) первичная стрессовая реакция; 2) адаптация; 3) истощение. На первом этапе, когда внешняя клеточная мембрана стимулируется абиотическим стрессом, происходит повышение проницаемости мембран, вход ионов кальция в цитоплазму, усиление поглощения кислорода, ускоренное потребление АТФ, развитие свободнорадикальных процессов. Установлено, что с целью поддержания стабильности внутриклеточной среды, уменьшения стресса и повреждений клеток растений при воздействии низких температур и засухи, растения способны удалять химически активный кислород путем регулирования активности защитных ферментов, изменения концентрации внутриклеточного пролина, растворимых сахаров и белков [10].
«Относительная электропроводность тканей» считается важным показателем, имеющим значительную отрицательную корреляцию с устойчивостью к холоду у В. парт [12]. При воздействии низких температур и засухи происходит утечка (отток) электролитов из тканей и клеток, перестройка метаболизма и в некоторых случаях гибель клеток, что является одной из основных реакций растения на стресс [13]. Отток электролитов из клетки растения под действием стрессового фактора
можно измерить как электрическую кондук-тивность раствора. Выявлено также, что при высокой концентрации активного кислорода происходит окисление липидов мембран и увеличивается содержание малонового диальде-гида (англ. Malondialdehyde, сокр. — MDA), что приводит к снижению устойчивости к холоду [11]. Поэтому физиологические показатели «содержание MDA» и «относительная электропроводность тканей» используются для непрямой оценки устойчивости к холоду и засухе у растений [12, 14]. В исследовании H. L. Huang с соавторами были выявлены пять SSR-маркеров, ассоциированных с относительной электропроводностью, и шесть SSR-мар-керов, ассоциированных с содержанием MDA [12]. Маркер Na10-C03 показал достоверную положительную корреляцию с обоими индексами (содержание MDA и относительная электропроводность) у B. napus и B. rapa, и было установлено его расположение на хромосоме А01. В ряде исследований была изучена холодоустойчивость у представителей семейства Brassicaceae и выявлена ассоциация между электропроводностью тканей и микросател-литным маркером O1113-G05 [15, 16].
Целью работы являлось применение молекулярных и физиологических маркеров для комплексного исследования устойчивости к абиотическому стрессу и выявление закономерностей реакции на холодовой стресс и засуху у представителей семейства Brassicaceae L., включая рапс, капусту полевую и капусту огородную.
Материалы и методы
Характеристика и условия выращивания растительного материала. Для анализа были использованы образцы коллекции представителей семейства Brassicaceae, различного географического происхождения, включающие девять сортов рапса, три сорта капусты огородной и три сорта капусты полевой (табл. 1).
Семена высаживали в пластиковые горшки диаметром 6 см (по четыре семени на горшок, по восемь горшков на сорт для контроля, холода и засухи), наполненные стерильной почвой (Терра Вита, Россия). Семена прорастали в течение 3-5 дней при комнатной температуре и естественном освещении. Растения росли до стадии четвертого листа (около четырех
Таблица 1
Характеристика изучаемых сортов рапса (B. napus), капусты огородной (B. oleraceae)
и капусты полевой (B. rapa ssp. oleífera)
№ Вид Геном Сорт Страна, фирма
1 B. napus AACC (n = 19) Гордон KBC KWS
2 B. napus AACC (n = 19) Мартын Беларусь
3 B. napus AACC (n = 19) Днепр Беларусь
4 B. napus AACC (n = 19) Кодиак Германия
5 B. napus AACC (n = 19) Зорный Беларусь
6 B. napus AACC (n = 19) Orig senraps Швеция
7 B. napus AACC (n = 19) Буян Беларусь
8 B. napus AACC (n = 19) Jet Neuf Франция
9 B. napus AACC (n = 19) Витовт Беларусь
10 B. oleraceae CC (n = 9) Каменная голова Польша
11 B. oleraceae CC (n = 9) Гигант Франция
12 B. oleraceae CC (n = 9) Морана Беларусь
13 B. rapa ssp. oleífera AA (n = 10) Gruber Финляндия
14 B. rapa ssp. oleífera AA (n = 10) Латвийская Латвия
15 B. rapa ssp. oleífera AA (n = 10) Злата Россия
недель). Сеянцы поливали водой и четыре раза раствором среды Мурасиге и Скуга (MS, Sigma) половинной концентрации по мере необходимости. Всего было посажено 24 горшка для каждого генотипа, которые случайным образом были разделены на три группы при достижении растениями стадии четырех листьев. Каждая группа, состоящая из восьми горшков (примерно 32 растения), была помещена в следующие условия: а) контрольные — регулярный полив водой; б) засуха — регулярный полив 7,5%-ым раствором ПЭГ; в) холод — регулярный полив водой, выращивание в климатической камере при +3 °С в течение 18 ч. Образцы листьев для анализа собирали после 48 ч засухи и 18 ч холодового стресса.
Определение электрической кондуктивно-сти. Электрическую кондуктивность измеряли с помощью кондуктометра (DDS-11A, Shanghai Pengshun Science Co., Ltd., Китай) как описано B. Jiang с соавторами [17]. Для групп исследуемых растений навески листьев от пяти растений массой 0,1 г (в трехкратной повторности) собирали в пробирки объемом 15 мл, содержащие 8 мл деионизированной воды, и измеряли электропроводность как S0
(нулевая электропроводность). Образцы осторожно встряхивали при 25 °С, инкубировали в течение 2 ч и измеряли электропроводность как S1 (первая электропроводность). Затем образцы кипятили 20 мин, встряхивали и после остывания до 25 °С (около 20 мин) измеряли полученную электропроводность как S2 (полная электропроводность). Электрическую кон-дуктивность рассчитывали по формуле:
(S1 - S0) / (S2 - S0) х 100%.
Выделение ДНК и молекулярно-генетиче-ский анализ. Для выделения ДНК использовали навеску листьев массой 100 мг, взятую от пяти растений каждого сорта (в трехкратной повторности). Гомогенизация образцов производилась посредством TissueLyser II (Qiagen, Германия). ДНК из листьев выделялась при помощи набора «S-сорб» (НПК «Синтол», Россия) согласно инструкции производителя. Концентрацию ДНК и степень ее очистки определяли с использованием спектрофотометра Implen Nano Photometer N50 (Implen, Германия). Для оценки нативности ДНК дополнительно проводили электрофоретическое разделение препаратов ДНК в 1,0%-ом агароз-
ном геле (1X ATE-буфер, 90B, 60 мин). Далее концентрация ДНК для всех образцов была стандартизирована до 25 нг/мкл.
В работе были использованы SSR-марке-ры, ассоциированные с относительной электропроводностью тканей (O1l13-G05) и относительной электропроводностью тканей и содержанием MDA (Na10-CO3) [15]. ПЦР с SSR-маркером Na10-CO3, используя прай-меры 5'-TTGGGTGTCTTTGTTACCCC-3' и 5'-ACCGAGAAGACTGATACGGG-3', с SSR-маркером O1l13-G05, используя прай-меры 5'-GTGTGCAGGAAACGATGTTC-3' и 5 '-GGGAGTTTGAAGAGAAAGCG-3', проводили в 25 мкл реакционной смеси, содержащей 1х ArtMix MM (ООО «АртБиоТех, Беларусь), 0,40 мкМ каждого праймера и 50 нг тотальной ДНК. ПЦР проводили на ампли-фикаторе SimpliAmp Thermal Cycler (Applied Biosystems, США) со следующими условиями реакции амплификации: 95 °С — 5 мин; 35 циклов: 95 °С — 15 сек, 58 °С (для ДНК-маркера Na10-CO3) и 56 °С (для ДНК-маркера O1l13-G05) — 30 сек, 72 °С — 45 сек; 72 °С —10 мин. ПЦР-продукты разделяли
электрофорезом в 2,0%-ом агарозном геле с добавлением раствора бромида этидия до конечной концентрации 0,5 мкг/мл при напряжении 90В в течение 60 мин. Результаты электрофореза документировали с использованием системы E-Box CX5 (Vilber, Германия), ПО E-Box CX5 TS Edge 18.01.
Статистическая обработка данных. Непараметрический дисперсионный анализ (тест Краскела-Уоллиса и post-hoc Dunn тест) был выполнен в R (версия 4.1.2) с использованием пакета stats [18], рисунок был создан с помощью пакета ggplot2 [19].
Результаты и обсуждение
Проведенные исследования девяти сортов рапса, трех сортов капусты огородной и трех сортов капусты полевой позволили выявить, что показатель «электрическая кондуктив-ность» в условиях пониженных температур статистически значимо (p-значение <0,05) отличается от показателя «электрическая кон-дуктивность» в условиях засухи для каждого из проанализированных сортов (рис. 1).
В условиях холодового стресса максималь-
Засуха
Рис. 1. Значения электрической кондуктивности (± стандартное отклонение) для изучаемых сортов в условиях холодового стресса и засухи. Указанные значения статистически значимо отличаются для каждого сорта в условиях засухи и холода
ная электрическая кондуктивность среди сортов рапса была у сорта Jet Neuf (70,01%), минимальная — у сорта Кодиак (6,27%); максимальная среди сортов капусты огородной была у сорта Морана (66,57%), минимальная — у сорта Каменная голова (10,31%); максимальная среди сортов капусты полевой была у сорта Латвийская (29,68%), минимальная — у сорта Gruber (14,78%). В условиях засухи максимальная электрическая кондук-тивность среди сортов рапса была у сорта Jet Neuf (82,82%), минимальная — у сорта Буян
(16,8%); максимальная среди сортов капусты огородной — у сорта Морана (99,9%), минимальная — у сорта Гигант (49,2%); максимальная среди сортов капусты полевой — у сорта Злата (29,2%), минимальная — у сорта Gruber (5,21%). При сравнении показателя «средняя электрическая кондуктивность» у изучаемых видов семейства Капустные, минимальное среднее значение в условиях холодового стресса и засухи выявлено у вида Капуста полевая, максимальное — у вида Капуста огородная (табл. 2).
Таблица 2
Сравнительная характеристика видов Рапс, Капуста огородная и Капуста полевая по значениям электрической кондуктивности в условиях холодового стресса и засухи
Тип стресса Вид Средняя кондуктивность ± стандартное отклонение
Холод Рапс 32,86 ± 19,98
Капуста огородная 33,17 ± 25,62
Капуста полевая 20,05 ± 7,24
Засуха Рапс 33,69 ± 21,66
Капуста огородная 81,71 ± 24,44
Капуста полевая 18,77 ± 10,39
Работы ряда исследовательских групп позволили установить, что сорта с высоким содержанием MDA имеют более высокий уровень перекисного окисления липидов мембран, что приводит к снижению устойчивости к холоду [11], а относительная проводимость отрицательно коррелирует с устойчивостью к холоду у B. napus и B. rapa [12] и засухе у цветной капусты [20]. Поэтому эти физиологические показатели могут быть использованы как физиологические маркеры для оценки устойчивости к холоду и засухе у растений. Ранее также было установлено, что у отдельных форм B. napus и B. rapa ДНК-маркер Na10-CO3
показал достоверную положительную корреляцию с содержанием MDA и относительной электропроводностью тканей [12, 15].
Проведенный нами анализ представителей семейства Brassicaceae с использованием SSR-маркера Na10-CO3 позволил установить вариацию выявляемых аллелей у исследованных образцов: гомозиготы либо гетерозиготы по аллелям 222 и 334 п. н., либо отсутствие обоих аллелей. По микросателлитному локу-су, выявляемому SSR-маркером O1l13-G05, детектировался аллель 127 п. н. у всех исследуемых сортов, кроме сорта капусты полевой Gruber (табл. 3).
Таблица 3
Результаты исследования образцов с помощью SSR-маркеров, коррелирующих с физиологическими индексами морозостойкости
№ Вид Сорт Локус
Na10-C03 O1113-G05
1 B. napus Гордон KBC 334 127
2 B. napus Мартын 222 127
Окончание таблицы 3
№ Вид Сорт Локус
Na10-CO3 O1l13-G05
3 B. napus Днепр 222 127
4 B. napus Кодиак 334 127
5 B. napus Зорный 222 127
6 B. napus Orig senraps 222 127
7 B. napus Буян 222 127
S B. napus Jet Neuf 222 127
9 B. napus Витовт 222 127
iG B. oleraceae Каменная голова - 127
ii B. oleraceae Гигант - 127
12 B. oleraceae Морана - 127
13 B. rapa ssp. oleífera Gruber 334 -
14 B. rapa ssp. oleífera Латвийская 222/334 127
15 B. rapa ssp. oleífera Злата 334 127
Все исследуемые растения были отнесены к одной из четырех групп, в зависимости от выявленного ДНК-маркером №10-С03 алле-ля (табл. 4). Статистически значимая разница выявлена по показателю «электрическая кондуктивность» между указанными группами генотипов в условиях холодового стресса (р-значение = 0,00135) и засухи (р-значе-ние = 0,000628). Попарные сравнения между группами показали, что в условиях холодо-вого стресса статистически значимые различия выявлены между группами 1 и 2 (р-зна-чение = 0,0000848) и между группами 1 и 4 (р-значение = 0,0298). Остальные попарные сравнения значений средней электрической кондуктивности для групп генотипов в условиях холодового стресса оказались статистически не значимыми. При этом в условиях засухи установлена статистически значимая разница только между группой 4 и группами 1, 2 и 3 (р-значение = 0,00120, р-значение = 0,000132 и р-значение = 0,00429 соответственно). В результате генотипы, несущие аллель 334 п. н. (группа 1) характеризовались более низким значением электрической кондуктивности в условиях холодового стресса. В условиях засухи максимальные значения электрической кон-дуктивности выявлены у группы генотипов, для которых ни один аллель не был выявлен (группа 4, образцы вида В. о1егасеа, геном С).
По показателю «электрическая кондуктив-ность» не было выявлено достоверных статистических различий между группами 1-3 в смоделированных условиях засухи. Минимальные значения средней электрической кондуктивности получены для генотипов, несущих аллели 222 и 334 п. н. (группа 3), однако они незначительно отличались от значений, полученных для групп 1 и 2 (табл. 4). В этой связи можно предположить, что на устойчивость к данному типу абиотического стресса влияет не определенный аллель, а наличие конкретного локуса генома А, выявляемого с помощью ДНК-маркера №10-С03. Поскольку все коммерческие сорта капусты огородной, использованные в данном исследовании, характеризуются производителями как устойчивые к холоду, предполагается, что, несмотря на отсутствие указанного локуса в геноме В. о1егасеа, изученные сорта капусты огородной являются холодостойкими за счет альтернативных метаболических путей.
Было установлено, что фрагмент размером 127 п. н., детектируемый с помощью SSR-мар-кера 01113^05, также коррелирует с относительной электропроводностью тканей [15, 21]. В нашем исследовании аллель 127 п. н., выявляемый с помощью ДНК-маркера 01113^05, был обнаружен у всех исследуемых сортов, кроме сорта капусты полевой Gruber. Элек-
Таблица 4
Сравнительная характеристика изучаемых растений по средним значениям электрической кондуктивности в условиях холодового стресса и засухи в зависимости от полиморфизма
молекулярного маркера Na10-C03
Тип стресса Сорт Группа Маркер №10-С03 Среднее значение кондуктивности и 25-75-й процентили
Гордон KBC, Кодиак, Злата, Gruber 1 Аллель 334 12,7 (11,4-15,10)
Холод Мартын, Днепр, Зорны, Orig senraps, Буян, Витовт, Jet Neuf 2 Аллель 222 39,6 (21,50-49,01)
Латвийская 3 Аллель 222/334 29,71 (28,75-35,72)
Каменная голова, Гигант, Морана 4 Нет ампликона 33,23 (10,65-65,66)
Гордон KBC, Кодиак, Злата, Gruber 1 Аллель 334 29,33 (18,12-36,68)
Засуха Мартын, Днепр, Зорны, Orig senraps, Буян, Витовт, Jet Neuf 2 Аллель 222 31,09 (18,04-32,35)
Латвийская 3 Аллель 222/334 21,34 (20,78-32,08)
Каменная голова, Гигант, Морана 4 Нет ампликона 81,72 (51,29-99,77)
трическая кондуктивность у растений сорта Gruber была статистически значимо ниже (p-значение = 0,00444) в условиях засухи, чем у генотипов, несущих аллель 127 п. н. (табл. 5). Так как сорт Gruber также характеризуется наличием аллеля, детектируемого с помощью SSR-маркера Na10-C03, ассоциированного с холодостойкостью, и относится к группе 1 с достоверным наименьшим показателем «электрической кондуктивности» в смоделированных условиях холода, это делает перспективным его использование в качестве контрольного сорта для дальнейшего исследования механизмов формирования как
засухоустойчивости, так и холодостойкости у семейства Brassicaceae.
Проведенное нами исследование форм видов B. napus и B. rapa позволило установить достоверную связь между наличием отдельных аллелей локуса генома А, выявляемого с помощью SSR-маркера Na10-C03, и вариацией показателя «электрическая кондуктивность» в смоделированных условиях холода. Предполагается, что у образцов B. oleracea, у которых отсутствует геном А, в реализации механизмов холодо- и засухоустойчивости задействованы альтернативные метаболические пути [21]. Сорта рапса Гордон КВС (устойчив к засухе на
Таблица 5
Сравнительная характеристика изучаемых растений по средним значениям электрической кондуктивности в условиях холодового стресса и засухи в зависимости от полиморфизма
молекулярного маркера O1113-G05
Тип стресса Маркер O1113-G05 Среднее значение кондуктивности и 25-75-й процентили p-значение
Холод Нет ампликона 15,07 (14,64-15,07) 0,265
Аллель 127 26,41 (13,41-48,66)
Засуха Нет ампликона 5,71 (5,47-5,97) 0,00444
Аллель 127 29,29 (21,09-57,86)
7 баллов из 9, зимостойкий — на 6 баллов из 9) и Кодиак (перезимовка на уроне 100% [22]) и сорта капусты полевой Gruber (выведен в условиях рискованного земледелия, Финляндия) и Злата (зимостойкий сорт, среднеустойчив к засухе) являются носителями аллеля 334 п. н. микросателлитного локуса Na10-C03, ассоциированного с холодоустойчивостью.
Изученные сорта рапса и капусты полевой являются носителями аллелей 222 и/или 334 п. н. микросателлитного локуса, выявляемого с помощью ДНК-маркера Na10-C03. Не было установлено статистически значимой разницы между группами генотипов 1, 2 и 3, включающих сорта рапса (геном ААСС) и капусты полевой (геном АА), по показателю «среднее значение электрической кондуктив-ности» в смоделированных условиях засухи. При этом для группы 4, представленной сортами капусты огородной (геном СС), установлено статистически значимое увеличение показателя «средняя электрическая кондуктивность», которое ассоциировано с увеличением степени повреждения мембран клеток при абиотическом стрессе. Поскольку в этой группе локус, выявляемый с помощью ДНК-маркера Na10-C03, не детектировался, можно предположить, что на устойчивость к данному типу абиотического стресса влияет наличие локуса генома А. При этом изученные генотипы капусты огородной (Каменная голова, Гигант, Морана), которые, по данным производителей, являются холодо- и засухоустойчивыми, показали большую холодоустойчивость в сравнении с устойчивостью к засухе, что может быть связано с влиянием температуры выращивания. Поскольку указанные сорта капусты создавались озимыми и засухо-, морозоустойчивыми, то фактор температуры (25 °С) мог повлиять на физиологический показатель «утечка электролитов» при моделировании условий засухи.
Заключение
Подводя итог вышесказанному, девять сортов рапса, три сорта капусты огородной и три сорта капусты полевой оценены по физиологическому показателю «утечка электролитов» в условиях кратковременного холодово-го стресса и кратковременной засухи, а также охарактеризованы по двум микросателлит-
ным маркерам, ассоциированным с устойчивостью к абиотическому стрессу (Na10-C03, 01113-G05). У исследованных форм видов B. napus и B. rapa установлена достоверная связь между наличием отдельных аллелей локуса хромосомы А01, выявляемого с помощью SSR-маркера Na10-C03, и вариацией электрической кондуктивности в смоделированных условиях холода. Предполагается, что у образцов B. oleracea, у которых отсутствует геном А, в реализации механизмов засухоустойчивости задействованы альтернативные метаболические пути. Сорта рапса Гордон КВС и Кодиак, несущие аллель холодостойкости и обладающие низкими средними значениями показателя «электрическая кондуктивность» в условиях холодового стресса, являются ценными генотипами при селекции на холодоустойчивость. Сорт капусты полевой Gruber рекомендован для использования в качестве контрольного сорта для дальнейшего исследования механизмов холодоустойчивости и засухоустойчивости.
Список использованных источников
1. Combined influence of low temperature and drought on different varieties of rapeseed (Brassica napus L.) / Q. Q. Xu [et al.] // South Afr. J. Bot. - 2022. - Vol. 147. - P. 400-414.
2. Whole-genome resequencing reveals Brassica napus origin and genetic loci involved in its improvement / K. Lu [et al.] // Nat. Commun.
- 2019. - Vol. 10, № 1. - P. 1 154.
3. Long-read assembly of the Brassica napus reference genome Darmor-bzh / M. Rousseau-Gueutin [et al.] // GigaScience. - 2020. - Vol. 9, № 12. - P. giaa137.
4. Genomic resources in plant breeding for sustainable agriculture / M. Thudi [et al.] // J. Plant Physiol. - 2021. - Vol. 257. - P. 153351.
5. Abiotic stress responses in plants / H. Zhang [et al.] // Nat. Rev. Genet. - 2022. - Vol. 23, № 2.
- P. 104-119.
6. Identification of differentially expressed genes involved in amino acid and lipid accumulation of winter turnip rape (Brassica rapa L.) in response to cold stress / Y. Fang [et al.] // PLOS ONE. -2021. - Vol. 16, № 2. - P. e0245494.
7. Ma, Z. Understanding AP2/ERF transcription factor responses and tolerance to various abiotic stresses in plants: a comprehensive review /
Z. Ma, L. Hu, W. Jiang // Int. J. Mol. Sci. - 2024.
- Vol. 25, № 2. - P. 893.
8. Zhang, H. Thriving under stress: how plants balance growth and the stress response / H. Zhang, Y. Zhao, J.-K. Zhu // Dev. Cell. - 2020. - Vol. 55, № 5. - P. 529-543.
9. Cook, G. Genetically Modified Language : The discourse of arguments for GM crops and food. Genetically modified language / G. Cook.
- London; Routledge, 2004. - 176 p.
10. Exploring the mechanisms of WRKY transcription factors and regulated pathways in response to abiotic stress / S. Li [et al.] // Plant Stress. - 2024. - Vol. 12. - P. 100429.
11. Cold resistance and changes in MDA and soluble shugar of lives of Ligustrun lucidum Ait in winter / Y. Lin [et al.] / Chinese Agricultural Science Bulleten. - 2012. - Vol. 28. - P. 68-72.
12. Electrical conductivity analysis of 17 rapeseed (Brassica napus L.) varieties' cold resistance / H. L. Huang [et al.] // Hunan Agricultural Sciences. - 2014. - Vol. 21. - P. 1-3.
13. Hryvusevich, P. V. Stress-induced electrolyte leakage from root cells of higher plants: background, mechanism and physiological role / P. V. Hryvusevich, V. V. Samokhina, V. V. Demidchik // Exp. Biol. Biotechnol. - 2022.
- № 2. - P. 4-18.
14. Rashtbari, M. Effect of vermicompost and municipal solid waste compost on growth and yield of canola under drought stress conditions / M. Rashtbari, A. Hossein Ali, M. Ghorchiani // Commun. Soil Sci. Plant Anal. - 2020. - Vol. 51, № 17. - P. 2 215-2 222.
15. Analysis of cold resistance and identification of SSR markers linked to cold resistance genes in Brassica rapa / Z. Huang [et al.] // Breed Sci. - 2017. - Vol. 67, № 3. - P. 213-220.
16. Genetic variability between several Brasicaceae populations of different winter survival ability / B. Rakic [et al.] // Sustainable Development in Cruciferous Oilseed Crops Production: Congress Proceedings 12th International Rapeseed Congress, Wuhan, 26-30 March 2007: in 5 Vol. / Science Press USA Inc.; ed.: F. Tingdong, G. Chunyun. - Beijing, 2007. -Vol. 2. - P. 78-80.
17. PIF3 is a negative regulator of the CBF pathway and freezing tolerance in Arabidopsis / B. Jiang [et al.] // Proc. Natl. Acad. Sci. - 2017.
- Vol. 114, № 32. - E6695-E6702.
18. R: The R Project for Statistical Computing [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.r-project.org/. - Дата доступа: 30.08.2024.
19. Wickham, H. ggplot2: Elegant Graphics for Data Analysis / H. Wickham. - New York; NY: Springer, 2009. - 213 p.
20. Drought-induced changes in plant-yield interlinked biochemistry of cauliflower (Brassica oleracea L. var. botrytis) by exogenously applied alpha-tocopherol / N. Zafar [et al.] // Journal of King Saud University. - Science. - 2024. -Vol. 36, № 1. - P. 103 028.
21. Research on Biotic and Abiotic Stress Related Genes Exploration and Prediction in Brassica rapa and B. oleracea: A Review / A. Md. Kayum [et al.] // Plant Breeding and Biotechnology. - 2016. - Vol. 4. - P. 135-144.
22. Скрининг коллекционного материала озимого рапса по комплексу хозяйственно-ценных признаков в условиях центральной части Республики Беларусь / Е. С. Бык [и др.] // Земледелие и селекция в Беларуси. - 2021.
- № 57. - С. 407-415.
G. V. Mozgova, M. S. Parfenchyk, A. A. Burakova, V. N. Kipen, V. A. Lemesh, L. V. Khotyleva
APPLYING MOLECULAR AND PHYSIOLOGICAL MARKERS FOR A COMPREHENSIVE STUDY OF THE BRASSICACEAE L. FAMILY TOLERANCE TO ABIOTIC STRESS: COLD AND DROUGHT
State Scientific Institution "Institute of Genetics and Cytology of the National Academy of Sciences of Belarus" 27 Akademicheskaya St., 220072 Minsk, the Republic of Belarus e-mail: [email protected]
In this study, 15 genotypes of the Brassicaceae L. family grown under the conditions of short-term cold stress (+3 °C) and drought (7.5% PEG 6 000) were characterized by a physiological trait (electrolyte leakage) and two microsatellite markers associated with resistance to abiotic stress (Na10-C03, O1l13-G05). A significant relationship was established between the presence of individual alleles of the microsatellite marker Na10-C03 and the variation of the electrical conductivity of B. napus and B. rapa varieties. The rapeseed varieties Gordon KVS and Kodiak, carrying the 334 allele and possessing low values of electrical conductivity under cold stress, are valuable genotypes in breeding for cold tolerance. The field cabbage variety Gruber is recommended for use as a control for studying the mechanisms of cold and drought tolerance.
Keywords: abiotic stress, malondialdehyde, Brassica L., microsatellite markers, electrical conductivity, electrolyte leakage.
Дата поступления в редакцию: 02 сентября 2024 г.
