CC BY
73СЕЛЕКЦИЯ,ГЕНЕТИКА И ЭВОЛЮЦИЯ РАСТЕНИЙ: СВЯЗЬ С МЕТАБОЛИЗМОМ
УДК 631.527
Чиков Владимир Иванович,
доктор биологических наук, профессор, зав. лабораторией, e-mail: [email protected]; Ахтямова Гузель Адгамовна,
кандидат биологических наук, младший научный сотрудник
Казанский институт биохимии и биофизики Федерального исследовательского центра, Казанский научный центр Российской академии наук, ул. Лобачевского, 2/31, Казань, 420111, Россия
Резюме. На селекционных сортах ячменя, контрастных по засухоустойчивости, выращенных в условиях мелкоделяночных опытов на серой лесной карбонатной почве, оценены ростовые процессы на ранних этапах онтогенеза (до трубкования). Установлено, что засухоустойчивый сорт Камашевский отличается от интенсивного, но неустойчивого ячменя под селекционным номером 60-08 более интенсивным ростом первичных корней. Поскольку масса корней зависела от уровня минерального питания, в специальном опыте растения были посеяны в пластиковых сосудах - в почве и в промытом песке. Оба сорта ячменя увеличили массу первичных корней по сравнению с почвой
DOI 10.24411/2413-4112-2018-10002
в 2 раза. Опрыскивание растений в фазе трех листьев раствором комплексных соединений (аммиакатов) у неустойчивого сорта еще более увеличили массу корней - до 3 раз. Полученные данные свидетельствуют о связи интенсивности образования корней с усилением углеводной направленности фотосинтеза. Сделан вывод, что селекционная деятельность человека и эволюционное развитие растений, вышедших из моря на сушу, находятся в противоречии друг другу. Поставлен вопрос о необходимости пересмотра всей современной агротехники выращивания культурных растений, так как старая ведет к экологической катастрофе - снижению содержания кислорода в воде и увеличению мертвых зон в океанах в результате избыточного использования минеральных удобрений в сельском хозяйстве. Новая агротехника должна строиться на естественном восстановлении плодородия почвы, благодаря повышению активности почвенной микрофлоры и количества органического вещества, остающегося в ней после уборки урожая. Возможность коррекции генетически закрепленных признаков (например, засухоустойчивости) изменением внешних условий для растения означает, что генетический аппарат служит исполнительным механизмом регуляции метаболизма целого растения. Такой вывод делает актуальным пересмотр участия генетики
в создании новых сортов с необходимыми свойствами. На первое место должно быть поставлено понимание необходимых изменений в метаболизме растения и участвующих в этом ферментов, которые способствуют проявлению требуемых свойств у конкретного сорта.
Ключевые слова: фотосинтез, метаболизм, засухоустойчивость, корневая система, минеральное питание, селекция, эволюционное развитие растений.
Для цитирования: Чиков В.И., Ахтямова Г.А. Селекция, генетика и эволюция растений: связь с метаболизмом // Селекция, семеноводство и генетика. 2018. Т. 4; 4 (22): 13-19. Б0110.24411/2413-4112-2018-10002.
Критерии авторства. Все авторы несут ответственность за представленные в статье сведения и плагиат.
Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
BREEDING, GENETICS AND EVOLUTION OF PLANTS: METABOLIC LINK
Vladimir I. Chikov, Sc. (Biol.), Professor, Head of Laboratory, e-mail: [email protected]; Guzel A. Akhtyamova, RhD (Biol.), Junior Research Scientist
Kazan Institute of Biochemistry and Biophysics of Kazan Science Center of the Russian Academy of Sciences, Lobachevskiy str., 2/31, Kazan, 420111, Russia
Abstract. Growth processes at early stages of ontogenesis (before tubing) were evaluated on breeding varieties of barley, contrasting in drought resistance, grown under small-scale experiments on gray forest carbonate soil. It was established that the drought-resistant variety Kamashevsky differs from intensive but unstable barley under the breeding number 60-08 with a more intensive growth of the primary roots. Since the mass of roots depended on the level of mineral nutrition, the plants were sown in plastic vessels during a special experiment - in the soil and in washed sand. Both varieties of barley increased the mass of primary roots 2 times compared to the soil. Spraying plants in the phase of three leaves with a solution of complex compounds (ammonia) at an unstable variety has further increased the root mass - up to 3 times. The data obtained indicates a correlation between the intensity of root formation and the intensification of the carbohydrate orientation of photosynthesis. It is concluded that the breeding activity of man and the evolutionary development of plants emerging from the sea to land are in contradiction to each other. The question about
the need to revise all modern farming techniques for growing cultivated plants is raised, since the old one leads to an ecological catastrophe that is a decrease in the oxygen content in the water and an increase in dead zones of oceans because of the excessive use of mineral fertilizers in agriculture. New agrotechnics should be built on the natural restoration of soil fertility, due to increased activity of soil microflora and the amount of organic matter remaining in it after harvesting. The possibility of correction of genetically fixed characteristics (for example, drought resistance) by changing the external conditions for a plant means that the genetic mechanism serves as an executive mechanism for the regulation of the metabolism of the whole plant. Such conclusion makes it urgent to revise the participation of genetics in the creation of new varieties with the necessary properties. The most important must be the understanding of the necessary changes in the metabolism of plants and the involved enzymes, which help the emergence of the required properties in a particular variety.
Keywords: photosynthesis, metabolism, drought resistance, root system, mineral nutrition, breeding, plant evolution.
For citation: Chikov V.I., Akhtyamova G.A. Breeding, genetics and evolution of plants: metabolic link. Selektsiya, semenovodstvo i genetika. 2018. Vol. 4; 4 (22): 13-19. DOI 10.24411/2413-4112-2018-10002.
Contribution. The authors are responsible for information and plagiarism avoiding.
Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.
Введение. Мировой опыт растениеводства свидетельствует: если условия благоприятные, то можно сеять потенциально высокопродуктивные сорта, а в неблагоприятных условиях -только экологически устойчивые. Народная мудрость в России гласит: если май холодный, то год будет хлебородный. Но так и не ясно, какие механизмы при этом работают? Как отдельные факторы через метаболизм отражаются на итоговом урожае?
Миллиарды лет назад, растения, выходя из океана на сушу, столкнулись с неведомым им фактором - засухой. Это потребовало радикального изменение строения наземных растений. Интенсификация роста водопроводящих корней, устремленных вслед за уходящей в глубь почвы водой, вероятно, была для них одной из главных задач. Но с развитием популяции человека, выведение культурных растений было прежде всего подчинено увеличению массы хозяйственно важного органа - колоса, плода, корнеплода. Такие полезные с эволюционной точки зрения органы, как корни, остались вне внимания селекционеров и развивались самостоятельно. Поэтому, у всех культурных растений, по сравнению с дикими предшественниками, формировалась уменьшенная по массе корневая система.
Интенсификация ростовых процессов у культурных растений, особенно после открытия чилийской селитры, привела к появлению минеральных удобрений и новых высокопродуктивных, приспособленных к высокому уровню минерального питания сортов. Однако, повышенный минеральный фон и уменьшенная корневая система, снизили устойчивость растений к действию неблагоприятных факторов, прежде всего к засухе. При этом исследовательские работы по засухоустойчивости долгие годы велись в основном в направлении выяснения состояния воды в растениях [1] и ее роли в образовании «веществ-маркеров» устойчивости, например, пролина или гидрофильных полимеров [2]. Эти старые работы сильно затормозили исследования истинных причин засухоустойчивости культурных растений. Ведь совершенно очевидно, что засухоустойчивость прежде всего определяется скоростью роста водопроводящих корней, устремленных за уходящей в глубь почвы водой.
Эволюционно созданный осмотический градиент между листом-органом фотосинтеза и почвенным раствором (до 20 атмосфер) способствовал подъему воды с большой глубины и на внушительную высоту. Необходим только прямой (гальванический) контакт клеток ли-
ста с молекулами воды в почве. Для этого корни должны достигать уровня достаточной влажности почвы. Рост отдельных корней и всей корневой системы зависит также и от успешности ее конкуренции с репродуктивными органами за ограниченный фонд фотоассимилятов. Однако, до сих пор неизвестны механизмы, управляющие распределением ассимилятов между отдельными потребляющими их органами растения. А главное, взаимосвязь генетики и метаболизма в реализации этого механизма.
Накопленные к настоящему времени литературные данные позволяют заключить, что ключевым активатором к разрастанию корней и других новообразований у растений служит оксид азота NO [3], который может образовываться в апопла-сте клеток корня из нитрата, в том числе неферментативным путем [4]. Важнейшим элементом этой регуляции является изменение соотношения встречных потоков нитратов и сахаров.
Действительно, на разных морфобиотипах ячменя было показано, что генетически детерминированная уменьшенная масса корней у интенсивных сортов может быть изменена внешними воздействиями [5]. Среди наиболее важных из них оказалась почвенная подкормка растений нитратными удобрениями. При этом устойчивый к засухе сорт в меньшей степени реагировал на это воздействие приростом корней, но в большей -ростом надземной массы растения. Сходные результаты были получены в исследованиях риса [6]. У этой культуры плотность боковых корней на семенных корнях также возрастала в ответ на локальное снабжение нитратом.
Цель исследования - изучение влияния уровня минерального питания на рост корневой системы у сортов ячменя с разной засухоустойчивостью при выращивании растений в песке и почве.
Материалы и методы. В опыте были использованы контрастные по устойчивости к засухе сорта ячменя: Камашевский (устойчивый) и селекционный номер 60-08 (интенсивного типа, но неустойчивый) из коллекции селекционеров Татарского НИИСХ. Семена посеяли в пластиковые ящики размером 15x15x40 см в контролируемых условиях в серую лесную почву или промытый речной песок при естественном освещении лампами ДРЛ-400, освещенность - 12 клк. По достижении трех первых листьев растения были опрысканы раствором аммиакатов, которые, подавляя активность внеклеточной (апопластной) инвертазы, увеличивают
экспорт сахарозы из листьев. Через 15 дней после опрыскивания раствором аммиакатов (стимулятором оттока - СтО) были взяты пробы на анализ сухой массы растений в трех повторностях по 15-20 растений в пробе.
Полученные в этом опыте результаты стимуляции роста корней проверили в естественных условиях. Семена посеяли в почву или песок в ящиках размером 60x60x60 см при благоприятных естественном освещении и водном режиме, но с нарастающей засухой. После посева засушливые растения не поливали до конца опыта. В начале фазы трубкования у растений засушливого варианта днем появились признаки завядания, и опыт был прекращен.
Для оценки сухой массы всех опытных растений одну из стенок ящиков открыли и корни растений всех вариантов отмыли струей воды от почвы или песка. Поскольку у растений в условиях засухи разросшиеся корни перемешались и скопились на дне ящика, то, оценив число растений по надземной части, сухую массу корней одного растения определили делением общей массы на их число. Биологическая повторность опытов трехкратная по 15-20 растений в пробе. Полученные результаты обрабатывали статистически в программе Microsoft Excel.
Результаты и обсуждение. Выращивание растений в пластиковых ящиках в контролируемых условиях в промытом песке по сравнению с почвой вдвое увеличило сухую массу корней у обоих типов ячменя (табл. 1). Эффект можно увеличить до трехкратного (с 5,4 до 17,7 г), если дополнительно опрыскать листья растений раствором аммиакатов, которые играют роль стимулятора оттока
(СтО), так как подавляют активность апопластной инвертазы, увеличивают экспорт сахарозы из листьев. Устойчивый сорт реагировал на это воздействие менее заметно по сравнению с интенсивным, но неустойчивым.
В то же время, образование новых точек роста и побегов (основных потребителей продуктов фотосинтеза) невозможно без азота, а в песке он отсутствует. В этих условиях образующиеся в фотосинтезе сахара могут быть использованы только на синтез целлюлозы в сильно вакуолизированных клетках корней. Накопленные многолетние данные о регуляции фотосинтетического метаболизма углерода при изменении донорно-акцепторных отношений между фотосинтезирующими и потребляющими ассимиляты органами и уровнем азотного питания позволяют объяснить стимуляцию корнеобразования особенностями состава образующихся конечных продуктов фотосинтеза.
Поскольку при отсутствии в песке нитратов направленность фотосинтеза становится чисто углеводной, то у растения возникает проблема утилизации образующихся в фотосинтезе сахаров. Известно, что завершивший рост лист может использовать не более 5-7% образовавшихся продуктов фотосинтеза. Куда направляются оставшиеся 90% сахаров? Совершенно очевидно, что на синтез полисахаридов. Для синтеза крахмала емкость хлоропластов недостаточна. Следовательно, активируется синтез клеточных стенок при высокой вакуолизации, то есть в клетках корней.
Таким образом, рост корней на начальном этапе онтогенеза злакового растения инициируется избыточной углеводной составляющей продуктов фотосинтеза. Для проверки этого вывода растения двух типов (Камашевский и 60-08) были посеяны
Таблица 1. Влияние условий выращивания на сухую массу корней у различных сортов ярового ячменя, г Table 1. Growing conditions influence on dry root mass of different varieties of spring barley, g
Контроль СтО
Сорта Control Outflow stimulator
Varieties
листья корни листья корни
leaves roots leaves roots
Растения, выращенные в почве _Soil grown plants_
Камашевский Kamashevskiy 70,0 ± 3,5 6,4 ± 0.5 64,8 ± 1,2 8,0 ± 0,71
60-08 57,0 ± 1,7 5,4 ± 0,3 86,5 ± 5,1 10,8 ± 1,2i
Растения, выращенные в песке Sand grown plants
Камашевский Kamashevskiy 27,0 ± 1,5 12,5 ± 1,3 26,4 ± 0,8 9,6 ± 0,8
60-08 21,9 ± 0,9 12,6 ± 1,8 30,2 ± 1,4 17,7 ± 3,9
Рис. 1. Изучение эффекта стимуляции роста корней: слева - ящик с грунтом; справа - с грунтом и песком Fig. 1. Study of root growth stimulation effect: left - soil box; right - soil and sand box
в два ящика: один с почвой, другой с почвой и песком, о чем было сказано выше (рис. 1). Оказалось, что для проявления эффекта стимуляции роста корней было достаточно посеять семена в небольшую канавку с поперечным сечением 5x5 см, заполненную песком, а далее в ящике была почва (рис. 1).
В условиях нарастающей засухи растения сумели к фазе трубкования, когда затормозился рост и днем появился эффект потери листьями тургора, на 1/3 увеличить массу корней (табл. 2). Этот эффект возникает и усиливается при низких температурах в воздухе, когда образование надземных побегов заторможено, но почва уже теплая. Именно поэтому после холодного мая, когда побеги не появляются, а корневая система развивается, с наступлением тепла растения бурно растут, создавая предпосылки для урожая. Все это свидетельствует о возможности усиленного роста первичных корней и у интенсивных сортов зерновых культур, повышения их засухоустойчивости. Для этого необходимо на раннем этапе вегетации обеспечить растению низкий уровень нитратного питания.
В связи с этим можно сделать вывод, что в ближайшем будущем растениеводству, вероятно,
предстоит переход на новую - засухоустойчивую -систему агротехники выращивания зерновых культур, по крайней мере в зонах влияния засухи. Учитывая масштабы рискованного земледелия в засушливых зонах, решение этой проблемы имеет исключительную важность. Кроме того, в погоне за урожаем человек интенсифицировал минеральное питание. Почва (по В.В. Докучаеву «живое тело») превратилась в гидропонный субстрат.
Все эти действия привели к еще большему снижению массы корней растения и, как следствие, содержания органического вещества в почве, что вызвало потерю ее естественного плодородия. По мнению ведущих почвоведов, в течение последних 100 лет запасы органического вещества в черноземах России уменьшились в 2 раза [7]. Считается, что 20% всего углекислого газа, накопившегося в атмосфере в результате антропогенной деятельности, в большой мере образовалось вследствие разрушения накопившегося за миллиард лет существования наземных растений почвенного органического вещества [8]. К этим старым работам добавилась новая проблема - экологическая катастрофа, надвигающаяся на океан (рис. 2).
Таблица 2. Влияние засухи и грунта на сухую массу растений ячменя в начале фазы формирования колоса, г Table 2. Drought and priming effect on dry mass of barley plants at the beginning phase of ear formation , g
Варианты Побег Корни Все растение Корни/побег
Options Sprout Roots Whole plant Roots/sprout
Оптимальное водоснабжение Optimum water supply
Контроль, почва Control, soil 3,22 ± 0,25 1,38 ± 0,52 4,60 ± 1,77 0,43
Засуха Drought
Почва Soil 1,15 ± 0,15 0,82 ± 0,18 1,97 ± 0,47 0,71
Почва + песок Soil + sand 1,09 ± 0,06 1,41 ± 0,10 2,50 ± 0,25 1,29
Рис. 2. Низкокислородные зоны мирового океана, где содержание кислорода $2мг/л (по данным Атласа Мирового океана 2013 г. - RJDiaz/phys.org):
Fig. 2. World ocean low-oxygen zones where oxygen is i 2 mg /1 (according to World Ocean Atlas 2013 - RJ Diaz /phys.org):
- места на побережье / coastal;
- зоны в открытом океане / open ocean
К 1995 г. по всей планете насчитывалось 305 мертвых, то есть низкокислородных зон, в 2007 г. -405, а за последнее десятилетие их количество выросло в 10 раз. Безжизненными становятся и устья рек, и прибрежные морские акватории, и даже удаленные от берега участки. Между тем большинство обитателей моря не могут существовать в мертвых зонах.
Таким образом, условия существования растений влияют на направленность фотосинтеза (углеводная или аминокислотная), а от нее зависит конечный состав субстратов для синтетических процессов. Уже давно показано, что любые факторы, подавляющие интенсивность фотосинтеза, снижают его углеводную направленность. Этот тезис можно развить дальше. Любое внешнее воздействие изменяет интенсивность потока каких-либо метаболитов. Как следствие, увеличивается или уменьшается количество одного из образующихся метаболитов-субстратов для дальнейших синтетических процессов. Если изменения не превышают регуляторные возможности участвующих в процессе ферментов, то все возвращается в стационарное состояние. Если же изменения более значительные, чем регуляторные возможности, то происходит накопление отдельных метаболитов, которые нарушают сложившийся баланс метаболических потоков и запускают его перестройку на новый уровень.
У растений есть два главных потока метаболитов. В восходящем направлении главный поток -вода с минеральными веществами, прежде всего нитратами, а в нисходящем - сахара. Изменение соотношения этих ключевых потоков влияет на баланс восстановленных и невосстановленных нитратов в проводящей системе растения. В этих условиях возможно возникновение не полностью
восстановленного соединения азота - оксида азота (N0), который запускает экспрессию многих генов. Появившиеся в результате экспрессии ферменты будут иметь разную судьбу. Если присутствуют субстраты, образовавшиеся в результате нарушения метаболизма под действием фактора, то ферменты поддержат перестройку метаболизма. В отсутствие субстратов ферменты будут гидролизованы и исчезнут. Но все это статистические вероятностные события.
Тот вариант с вновь появившимися ферментами, который окажется полезным для данного индивидуума, генетически закрепится и сохранится в потомстве. И никто их не будет сохранять и закреплять. Просто информационно полезный вариант будет более жизнеспособным, а менее полезные проиграют ему в борьбе за место в будущем и исчезнут.
Все эти данные заставляют принципиально по-новому подойти ко всему процессу селекционного отбора растений и участию генетики в этом. Если генетически закрепленный признак можно с помощью метаболизма изменить и направить в нужном для человека направлении, то от генетиков прежде всего требуется раскрыть механизм такого взаимодействия метаболизма с генофондом. Необходимо установить, что первично: генетическая регуляция или изменение метаболизма под влиянием условий?
Полученные нами материалы анализа корне-образования у генетически разных по устойчивости форм растений свидетельствуют о том, что генетический аппарат, скорее всего, является исполнительным механизмом в управлении всей жизнедеятельностью живого организма. Он реагирует на изменение биохимии метаболизма. Надо только понимать, что все происходящее в живой
системе - это физика и ничего кроме физики. И даже биохимия - по сути дела тоже физика, но только уже на другом (молекулярном и надмолекулярном) уровне.
Эти идеи применимы не только к раннему кор-необразованию. По всей вероятности, важное значение, по крайней мере для злаковых растений, может иметь эта концепция и при селекции на полегаемость растений в ходе созревания. Известно, что это свойство также прямо зависит от дозы азотных удобрений. С повышением дозы азотных удобрений и дождливой погоды полегаемость возрастает. Этот процесс, вероятно, также связан с углеводной направленностью фотосинтеза, так как тоже зависит от прочности клеточных стенок стебля. Выяснить, как это свойство детерминировано генетическим аппаратом, -еще одна важная задача для генетиков в помощь селекционерам. Как в связи с этим вести селекционную работу при выведении новых сортов? Какие гены учитывать и преобразовывать? Надо не просто искать гены, ответственные за полегаемость растений, а выяснить те метаболические процессы, от которых она зависит. Одним словом, для селекции важно, чтобы генетика не просто констатировала наличие каких-либо генов, коррелирующих с полегаемостью, а выявила механизм изменения метаболизма, влияющий на полегаемость. Все это относится и к выяснению механизмов связи генетики с другими важными показателями продукционных процессов растений. Отмеченный выше пример с корешками -яркое подтверждение правильности этого тезиса.
Выводы. Устойчивость растения к засухе предопределена прежде всего интенсивностью роста водопроводящих корней, стремящихся за уходящей в глубь почвы водой.
Генетически предопределенная слабая устойчивость к засухе высокопродуктивных сортов растений на ранних этапах онтогенеза может быть изменена, если в зоне корней будет пониженная концентрация элементов минерального питания, прежде всего нитратов. А это зависит от степени углеводной направленности фотосинтеза в листьях. Повлиять на нее можно понижением концентрации нитратов в зоне корней, повышением освещенности или обработкой листьев комплексными соединениями - аммиакатами.
Вполне вероятно, что такая связь генетики и метаболизма существует и при проявлении других важных селекционных признаков. Эту связь надо устанавливать и использовать при создании новых форм культурных растений.
Литература
1. Гусев Н.А. Состояние воды в растениях. М.: Наука, 1974. 180 с.
2. Генкель П.А. Физиология жаро- и засухоустойчивости растений. Москва. М.: Наука., 1982. 280 с.
3. Sun C.-H., et al. Nitrate: a crucial signal during lateral roots development. Front. Plant Sci. 2017; 8: 485.
4. Neill S., Desikant R., Hancock J.T. Nitric oxide signalling in plants. New Phytologist. 2003. V. 159: 11-35.
5. Чиков В.И., Ахтямова Г.А., Баташева С.Н. и др. Образование корней в начальном периоде у различных морфобиотипов ячменя // Нива Татарстана. 2003. N159. C. 11-35.
6. Wasson A.P., Richards R.A., Chatrath R., et al. Traits and selection strategies to improve root systems and water uptake in water-limited wheat crops. J. Exp. Bot. 2012; 63: 3485-3498.
7. Ковда В.А., Пачепский П.А. Почвенные ресурсы СССР, их использование и восстановление. Пущино, 1989. 35 с.
8. Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Функции почв в биосфере и экосистемах. М.: Наука, 1990. 261 с.
References
1. Gusev N.A. Sostoyanie vody v rasteniyakh [Water state in plants]. Moscow: Nauka, 1974: 180. (In Russian)
2. Genkel' P. A. Fiziologiya zharo-izasuk-houstoychivosti rasteniy [Plants physiology of heat and drought resistance]. Moscow: Nauka., 1982: 280. (In Russian)
3. Sun C.-H., et al. Nitrate: a crucial signal during lateral roots development. Front. Plant Sci. 2017; 8: 485. (In English)
4. Neill S., Desikant R., Hancock J.T. Nitric oxide signalling in plants. New Phytologist. 2003; 159: 11-35. (In English)
5. Chikov V.I., Ahtyamova G.A., Batasheva S.N., et al. Root formation in the initial period for various barley morphobiotypes. Niva Tatarstana. 2017; 2: 50-52. (In Russian)
6. Wasson A.P., Richards R.A., Chatrath R., et al. Traits and selection strategies to improve root systems and water uptake in water-limited wheat crops. J. Exp. Bot. 2012, 63: 3485-3498. (In English)
7. Kovda V.A., Pachepskiy P.A. Pochvennye resursy SSSR, ikh ispol'zovanie i vosstanovlenie [USSR soil resources, their use and restoration]. Pushchino, 1989: 35. (In Russian)
8. Dobrovol'skiy G.V., Nikitin E.D. Funktsii pochv v biosfere i ekosistemakh [Soil functions in biosphere and ecosystems]. Moscow: Nauka, 1990: 261. (In Russian)
