CC BY
20УДК 633.11:633.14:57.084.1 Статья поступила 14.01.2025
4.1.2. Селекция, семеноводство и биотехнология растений РО! 10.35524/2227-0280_2025_01_29
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ОЗИМЫХ КУЛЬТУРНЫХ ЗЛАКОВ ПО ИЗМЕНЧИВОСТИ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ПРИЗНАКОВ
^С. Салех,
младший научный сотрудник лаборатории геномных исследований в растениеводстве, НИИСХ Северного Зауралья - филиал ТюмНЦ СО РАН
Н.А. Боме,
доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий кафедрой ботаники, биотехнологии и ландшафтной архитектуры, ФГАОУ ВО Тюменский государственный университет
Е.А. Мурыгина,
магистрант, ФГАОУ ВО Тюменский государственный университет
Ключевые слова: озимые зерновые культуры, генотип, пшеница, тритикале, рожь, морфологические и физиологические признаки, хлорофилл, стресс-фактор, длина корня, биомасса
Key words: winter cereal crops, genotype, wheat, triticale, rye, morphological and physiological traits, chlorophyll, stress factor, root length, biomass
Потребность в зерновых культурах ежегодно возрастает, и это требует достижения баланса между продуктивностью и спросом за счет совершенствования и развития методов производства, а также генетического улучшения сельскохозяйственных культур путем создания высокоурожайных сортов посредством различных селекционных программ. Процесс сбора, характеристики и классификации различных генетических активов считается одним из первых шагов, предпринимаемых для определения идентичности существующих сортов и последующего внедрения их в программы селекции. Существует несколько методов оценки генетического разнообразия, включая морфологическую оценку, которая считается одним из распространенных и простых методов, используемых в области изучения генетических различий. Хотя морфологические характеристики находятся под влиянием окружающей среды и контролируются генами, это не помешало им широко использоваться в исследованиях по оценке генетического разнообразия и улучшению сортов [1, 2].
В данном исследовании был проведен сравнительный анализ нескольких образцов озимых зерновых культур с целью определения
их биологического потенциала на основе фе-нотипирования разных признаков с использованием сравнительно быстрых методов оценки структурного и функционального состояния растений.
Цель работы - определение изменчивости некоторых морфологических и физиологических признаков сортов и селекционных линий озимых культур (пшеница, тритикале, рожь) на ранних стадиях развития в моделируемых условиях.
Материал и методы исследования. Исследование проведено в лаборатории биотехнологических и микробиологических исследований кафедры ботаники, биотехнологии и ландшафтной архитектуры Тюменского государственного университета (ТюмГУ) в период с 03.10.2023 по 23.10.2023 гг. В качестве объектов исследования использовались 3 сорта (Чусовая, Алиса, Янтарная) озимой ржи, 2 сорта (Казанская 234, к-60753; Yasochka, к-64339) и 1 селекционный образец (КСИ 35/17) озимой пшеницы, 2 сорта (Истокский, Тимирязевская 150) и 1 селекционный образец (КСИ 16/17) озимой тритикале. Изначально семена для полевого испытания получены из Всероссийского института генетических ресурсов
растений им. Н.И. Вавилова, ФГБНУ «Омский аграрный научный центр», Уральского научно-исследовательского института сельского хозяйства - филиала ФГБНУ УРФАНИЦ УрО РАН, Российского государственного аграрного университета - МСХА им. К.А. Тимирязева. В лабораторном исследовании использованы семена, выращенные на экспериментальном участке биостанции Тюменского государственного университета «Озеро Кучак» (урожай 2023 г.), расположенном в Нижнетавдинском районе Тюменской области. Вегетационный период 2023 г. характеризовался неравномерным выпадением осадков - от 7,6 мм (май) до 116,2 мм (июль). В сумме за период май-август количество осадков составило 268,4 мм, что близко к норме (251 мм), но рост и развитие растений озимых культур проходили при недостатке влаги в мае и августе и избытке в июне и июле. Среднесуточная температура по сравнению со средними многолетними значениями была выше в мае (на 2,7°С), июле (на 3,2°С), ниже - в июне (на 0,8°С).
Лабораторный опыт выполняли в вегетационных сосудах из инертного материала, емкостью 1,4 л, заполненных почвой (280 г в каждом), увлажненной до 60% от полной влаго-емкости. Субстрат для сосудов представлял собой универсальную почву, рекомендуемую для выращивания растений. Семена без признаков деформаций, повреждений (механические, патогенами) поверхности равномерно раскладывали в сосуды на глубину 2 см. Объем выборки - 15 семян в четырехкратной по-вторности для каждого варианта, по 12 сосудов для пшеницы, тритикале и ржи, всего 36 сосудов. Выращивание растений проводили на фитостеллаже при температуре 24°С, с искусственным освещением, обеспеченным лампами дневного света (5000 лк) день/ночь -10/14 часов, соответственно.
На восьмые сутки эксперимента (11.10.2023 г.) определяли всхожесть семян подсчетом числа всходов в каждом сосуде. Высота измерялась на 5 растениях каждого образца четырех повторностей (n=20) с помощью линейки от поверхности почвы до верхней части листа. Содержание хлорофилла в клетках листьев 5 растений (n=20) определяли с помощью оптического счетчика SPAD 502 (Minolta Camera Co, Ltd, Токио, Япония). Измерения высоты растений и хлорофилла были произведены дважды (11.10.2023 г.; 23.10.2023 г.).
Через 20 суток от начала опыта растения извлекали из почвы и определяли морфоме-трические параметры (длина корней и побе-
гов, число корней), а также сырую и сухую биомассу на весах VIBRA AJ-1200CE.
Статистическая обработка экспериментальных данных выполнена по апробированным методикам, изложенным Б.А. Доспеховым [3], с использованием табличного процессора Microsoft Excel и программного обеспечения STATISTICA 6.0 («StatSoft», Inc., США).
Результаты исследования. Биологические свойства семян, их способность к прорастанию и начальному росту определяют в дальнейшем адаптивную способность растений при выращивании в полевых условиях. При оптимальных условиях семена могут давать высокие уровни прорастания (энергия, всхожесть). В широком диапазоне окружающей среды под влиянием стрессовых факторов существенно снижаются процессы прорастания семян и формирования всходов (полевая всхожесть) [4].
Семена, взятые для изучения, изначально отличались по способности к прорастанию в вегетационных сосудах, что нашло отражение в динамике всхожести (рис. 1А). При первом подсчете числа всходов в каждом сосуде было обнаружено, что большая часть опытных вариантов характеризовалась высокими показателями всхожести семян (более 90%). При втором подсчете отмечено снижение показателя у образца КСИ 35/17 (озимая пшеница), сорта Истокский (озимая тритикале), сорта Янтарная (озимая рожь), что связано с гибелью растений в оцениваемый период. Пониженные показатели всхожести семян позволяют предположить, что в полевых условиях под влиянием ряда факторов процессы прорастания и формирования всходов могут быть ослаблены. У сорта тритикале Тимирязевская 150 и сорта пшеницы Казанская 234 (к-60753) число всходов увеличилось; у образцов Yasochka (к-64339) (пшеница), КСИ 16/17 (тритикале), Чусовая, Алиса (рожь) показатели всхожести остались на уровне первого подсчета.
Содержание хлорофилла в листьях играет важную роль в индикации физиологического статуса растений во взаимосвязи с продуктивностью [5]. Известно, что традиционная количественная оценка хлорофилла в листьях, основанная на экстракции ацетоном или этанолом, спектрофотометрии и жидкостной хроматографии, требует много времени, финансовых затрат и не всегда подходит для высокопроизводительного анализа [6]. В нашем исследовании метод экспресс-диагностики с помощью прибора SPAD 502 позволил выявить
различия в динамике накопления хлорофилла в листьях на раннем этапе развития без изъятия растений из вегетационных сосудов (рис. 1В).
Измерение количества хлорофилла через восемь суток от начала опыта выявило преимущество образцов тритикале (37,3-41,9 ед. spad) по сравнению с пшеницей (33,8-37,7 ед. spad) и рожью (31,1-33,5 ед. spad). В следующий период при сравнении с предыдущим увеличение содержания пигмента отмечено у двух сортов пшеницы (Казанская 234, Yasoch-ка - на 5,3 и 2,7%, соответственно) и двух сортов ржи (Чусовая, Янтарная - на 4,7 и 3,3%, соответственно). Существенное снижение хлорофилла зафиксировано у всех исследуемых образцов тритикале (на 14,2-22,4%), одного образца пшеницы (КСИ 35/17 - на 1,3%) и одного сорта ржи (Алиса - на 14,1%). Потерю хлорофилла к окончанию опыта мы связываем с активным ростом растений в высоту, увеличением числа листьев, возможным затенением от плотности посева. Число листьев на растении на заключительном этапе лабораторного опыта изменялось от 2,0 (пшеница КСИ 35/17) до 2,9 (рожь Янтарная). Важно отметить, что более высокой скоростью накопления фотосинтетических пигментов в листьях обладали образцы тритикале.
В течение всего периода наблюдений увеличивались показатели высоты растений у
всех образцов озимых культур (рис. 1С). Наиболее интенсивным ростом характеризовались сорта ржи, у которых прирост по высоте растений при последнем промере составил 38,4-56,7%, у образцов тритикале этот показатель был 8,8-39,8%, пшеницы - 7,4-43,3%.
Относительно высокой скоростью роста в ранней стадии развития отличались образцы тритикале с приростом 2,70-2,91 см в сутки и ржи - 2,3-2,47 см в сутки, достоверных различий между образцами не выявлено (рис. Ю). Среди генотипов пшеницы выделился КСИ 15/17 с суточным приростом 3,15 см, что значимо выше по сравнению с Yasochka (1,38 см/ сутки). Сорт Казанская 234 по активности начального роста был на уровне образцов тритикале. По данным заключительного промера для всех генотипов обнаружена общая закономерность, проявившаяся в снижении относительной скорости роста.
Сопоставление данных лабораторной и полевой оценки озимых культур в вегетационный период 2023 г. при выращивании на экспериментальном участке биостанции ТюмГУ «Озеро Кучак» позволило выявить некоторые зависимости (табл. 1). Так, среди генотипов тритикале самым высокорослым был образец КСИ 16/17, который характеризовался хорошим показателем прироста за период от 17.06.2023 до 06.07.2023 гг. У озимой пшени-
Рис. 1. Изменчивость некоторых признаков исследуемых образцов озимых культур (пшеница, тритикале, рожь) в вегетационных сосудах по результатам двух учетов: А - всхожесть семян, %; В - содержание хлорофилла в листьях, ед. spad; С - высота растений, см; й - относительная скорость роста, см/сутки
цы по высоте растений, как и в лабораторном опыте, выделился сорт Казанская 234. Не выявлено существенных различий по показателям высоты растений как на ранних стадиях развития в вегетационных сосудах, так и в условиях полевой оценки у сортов ржи.
Таблица 1
Высота растений и содержание хлорофилла в клетках флагового листа озимых культур в разные фазы вегетации, биостанция ТюмГУ «Озеро Кучак»
Образец Высота растений, см Содержание хлорофилла, ед. spad
17.06.2023* 06.07.2023" 17.06.2023 06.07.2023
озимая тритикале
Тимирязевская 150 66,6±2,48 76,2±4,22 47,1±1,39 47,3±2,09
16/17 КСИ 114,6±1,91 127,2±0,86 44,2±1,65 44,0±2,03
Истокский 66,2±2,20 74,8±1,50 45,2±1,70 50,4±2,49
озимая пшеница
Казанская 234 (к- 60753) 74,2±2,35 77,4±0,81 43,9±1,95 49,8±2,16
КСИ 35/17 53,0±2,35 58,0±1,64 45,4±2,19 42,1±1,24
Yasochka (к- 64339) 49,6±1,86 66,6±1,29 54,7±1,58 46,5±4,53
озимая рожь
Чусовая 108,6±2,23 112,8±1,93 41,2±1,19 35,9±2,82
Янтарная 104,0±2,43 109,6±2,14 44,0±1,34 38,5±0,54
Алиса 106,6±1,72 108,8±2,27 46,3±1,40 38,9±2,75
Примечание: ► фаза: цветение; "фаза: тестообразное зерно.
По содержанию хлорофилла, по данным лабораторного и полевого исследования, выделился сорт тритикале Истокский. Отмечено, что флаговые листья этого сорта обладали более длительной фотосинтетической активностью по сравнению с другими образцами озимых культур. Наблюдались более ранние сроки деградации хлорофилла у сортов ржи, чем у пшеницы и тритикале, что связано с меньшей продолжительностью вегетационного периода.
Оптимизация корневой системы может повысить способность растений использовать из почвы влагу и питательные вещества [7]. Анализ морфологических признаков растений, в том числе корней, также может иметь значение при подборе генотипов для получения «про-рощенных семян» для здорового питания [8].
В нашем исследовании визуализация корневой системы осуществлялась на заключительном этапе после изъятия растений из вегетационных сосудов. Было выявлено разнообразие морфологии корней среди тестируемых образцов (табл. 2).
Обнаружены генотипы как с длинными (тритикале), так и короткими (пшеница) корнями. Мы предполагаем, что растения с длинной и хорошо разветвленной корневой системой будут засухоустойчивыми, так как смогут раци-
онально использовать влагу из более глубоких слоев почвы и сокращать продолжительность периода укоренения. Такой способностью по показателям длины корней и их числа могут обладать исследуемые сорта ржи (Чу-совая, Янтарная, Алиса) и тритикале (Тимирязевская 150). В то же время мы соглашаемся с мнением других ученых [9] о возможном риске того, что признаки, отобранные в лаборатории на молодых растениях, будут полностью транслироваться в полевых условиях.
Признаки в большинстве случаев характеризовались средней степенью изменчивости (исключение - вариабельность числа корней у озимой пшеницы). Коэффициент вариации по числу корней изменялся по образцам тритикале от 16,17% (Истокский) до 17,40% (КСИ 16/17), ржи - от 11,78% (Алиса) до 17,59% (Чу-совая). Пределы варьирования по длине корней составили 1,01% (пшеница, КСИ 35/17) -17,81% (тритикале, Тимирязевская 150). В неконтролируемых условиях полевого опыта характер изменчивости морфологических признаков корневой системы может иметь другую степень проявления. В связи с чем необходима разработка комплексной программы лабораторного и полевого фенотипирования нужных признаков. В структуре сырой биомассы изученных образцов преобладали побеги:
пшеница (68,4-84,4%), тритикале (81,1-86,6%), рожь (80,6-92,8%). Наибольшая доля корней в общей биомассе растения отмечена у сорта тритикале Истокский (25%) и сорта пшеницы Yasochka (31,5%).
Таблица 2
Морфометрические параметры озимых культур (лабораторный опыт)
Образец Число корней Длина корней
X±Sx, шт. CV, % X±Sx, см CV, %
озимая тритикале
Тимирязевская 150 5,3±0,39* 16,43 18,7±1,51 17,81
КСИ 16/17 3,6±0,29 17,40 17,1±0,95 12,04
Истокский 3,7±0,28 16,17 18,9±1,02 12,42
среднее по образцам 4,2±0,32 16,67 18,2±1,16 14,09
озимая рожь
Чусовая 5,1±0,40 17,59 15,8±1,24 17,72
Янтарная 5,8±0,47 17,55 15,4±0,82 12,05
Алиса 5,3±0,28 11,78 15,2±0,78 11,56
среднее по образцам 5,4±0,38Д 15,64 15,5±0,95 13,78
озимая пшеница
К-60753 3,0±0,12 6,67 5,9±0,56 16,31
КСИ 35/17 3,1±0,07* 3,69 6,1±0,04 1,01
K-64339 2,8±0,00 0,00 4,5±0,44 16,83
среднее по образцам 2,9±0,06 3,45 5,5±0,35 11,38
Примечание: * различия при сравнении со средней по образцам достоверны.
По усредненным данным полевого испытания в вегетационный период 2023 г. наибольшая урожайность зерна была получена у озимой ржи (504,6 г/м2) и озимой тритикале (479,7 г/м2), у озимой пшеницы выделился сорт Казанская 234 (345,7 г/м2).
Информация о динамике роста озимых культур на ранних стадиях развития является хорошим дополнением к полевой оценке и имеет большое значение для принятия решений при выборе видов и сортов для конкретных агроэкологических условий.
Выводы. Скрининг морфологических и физиологических признаков в лабораторном исследовании с дальнейшей оценкой в полевых условиях могут быть полезными при подборе видов и сортов озимых культур, а также при создании исходного материала для генетического улучшения растений.
Фенотипирование на основе показателей оптического счетчика SPAD 502 (Minolta Camera Co, Ltd, Токио, Япония) обеспечивает быстрый и неразрушающий подход к оценке содержания хлорофилла в листьях. По сравнению с традиционными деструктивными методами использование этого прибора экономит время, пространство и ресурсы.
Фенотипическое проявление некоторых признаков (динамика роста и высота растений, накопление и деградация хлорофилла) на ранних стадиях развития растений имело сходный характер на более поздних этапах онтогенеза в полевых условиях.
Образцы с контрастными характеристиками по морфологическим признакам побегов и корней, содержанию хлорофилла в листьях, структуре биомассы растений (соотношение корней и побегов) могут представлять интерес для практической селекции.
Библиографический список
1. Morphological diversity and potential interest for wheat improvement of three Aegilops L. species from Bulgaria / M. Zaharieva, A. Dimov, P. Stankova [and etc.]. - Text : unmediated // Genetic resources and Crop Evolution - 2003.
- Vol. 50. - P. 507-517.
2. Santos, D. Morphological characterization of wheat genetic resources from island of Mederia, Portugal / D. Santos, F. Gananca, J. J. Slaski, M. A. A. Pinheiro de Carvalho. - Text : unmediated // Genet Resour Crop Evol. - 2009.
- Vol. 56. - P. 363-375. - DOI 10.1007/s10722-008-9371-5.
3. Доспехов, Б. А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований) / Б. А. Доспехов. -Москва : Агропромиздат, 1985. - 351 с. - Текст : непосредственный.
4. Finch-Savage, W. E. Seed vigour and crop establishment : extending performance beyond adaptation / W. E. Finch-Savage, G. W. Bassel.
- Text : unmediated // Journal of Experimental Botany. - 2021. - Vol. 67. - № 3. - P. 567-591.
- DOI 10.1093/JXB/ERV490.
5. Прядкина, Г. А. Связь между величиной хлорофилльного фотосинтетического потенциала и урожайностью озимой пшеницы (Triti-cum aestivum L.) при повышенных температурах / Г. А. Прядкина, О. О. Стасик, Л. Н. Ми-хальская, В. В. Швартау. - Текст : непосредственный // Сельскохозяйственная биология.
- 2014. - № 5. - С. 88-95.
6. High throughput analysis of leaf chlorophyll content in sorghum using RGB, hyperspectral, and fluorescence imaging and sensor fusion / H. Zhang, Y. Ge, X. Xie [and etc.]. - Text : unmediated // Plant Methods. - 2022. - Vol. 11. - № 9. - P. 1303-1318. - DOI 10.1186/s13007-022-00892-0.
7. Modelling cereal root systems for water and nitrogen capture: towards an economic optimum / J. King, A. Gay, R. Sylvester-Bradley [and etc.].
- Text : unmediated // Annals of botan. - 2003.
- Vol. 91. - P. 383-390. - DOI 10.1093/aob/ mcg033.
8. Seedling Morphology of Different Wheat Genotypes at EarlyStages under Hydrocultural Conditions / L. Zsombik, A. Hanasz, T. Sipos [and etc.]. - Text : unmediated // Acta Agrar Debre-ceniensis. - 2021. - №1. - P. 249-254. - DOI 10.34101/actaagrar/1/8301.
9. Traits and selection strategies to improve root systems and water uptake in water-limited wheat crops / A. P. Wasson, R. A. Richards, R. Chatrath [and etc.]. - Text : unmediated // Journal of experimental botany. - 2012. - Vol. 63. - № 9. - P. 3485-3498. - DOI 10.1093/jxb/ers111.
References
1. Morphological diversity and potential interest for wheat improvement of three Aegilops L. species from Bulgaria / M. Zaharieva, A. Dimov, P. Stankova [and etc.]. - Text: unmediated // Ge-
netic resources and Crop Evolution - 2003. -Vol. 50. - P. 507-517.
2. Santos, D. Morphological characterization of wheat genetic resources from island of Me-deria, Portugal / D. Santos, F. Gananca, J. J. Slaski, M. A. A. Pinheiro de Carvalho. - Text: unmediated // Genet Resour Crop Evol. - 2009. -Vol. 56. - P. 363-375. - DOI 10.1007/s10722-008-9371-5.
3. Dospekhov, B. A. Methodology of field experiment (with the basics of statistical processing of research results) / B. A. Dospekhov. - Moscow: Agropromizdat, 1985. - 351 p. - Text: direct.
4. Finch-Savage, W. E. Seed vigour and crop establishment : extending performance beyond adaptation / W. E. Finch-Savage, G. W. Bassel.
- Text : unmediated // Journal of Experimental Botany. - 2021. - Vol. 67. - № 3. - P. 567-591.
- DOI 10.1093/JXB/ERV490. 5. Pryadkina, G. A. Relationship between the value of chlorophyll photosynthetic potential and the yield of winter wheat (Triticum aestivum L.) at elevated temperatures / G. A. Pryadkina, O. O. Stasik, L. N. Mi-khalskaya, V. V. Shvartau. - Text: direct // Agricultural biology. - 2014. - No. 5. - P. 88-95.
6. High throughput analysis of leaf chlorophyll content in sorghum using RGB, hyperspectral, and fluorescence imaging and sensor fusion / H. Zhang, Y. Ge, X. Xie [and etc.]. - Text : unmediated // Plant Methods. - 2022. - Vol. 11. - № 9. - P. 1303-1318. - DOI 10.1186/s13007-022-00892-0.
7. Modeling cereal root systems for water and nitrogen capture: towards an economic optimum / J. King, A. Gay, R. Sylvester-Bradley [and etc.].
- Text: unmediated // Annals of botan. - 2003. -Vol. 91. - P. 383-390. - DOI 10.1093/aob/ mcg033.
8. Seedling Morphology of Different Wheat Genotypes at Early Stages under Hydrocultural Conditions / L. Zsombik, A. Hanasz, T. Sipos [and etc.]. - Text: unmediated // Acta Agrar Debre-ceniensis. - 2021. - No. 1. - P. 249-254. - DOI 10.34101/actaagrar/1/8301.
9. Traits and selection strategies to improve root systems and water uptake in water-limited wheat crops / A. P. Wasson, R. A. Richards, R. Chatrath [and etc.]. - Text: unmediated // Journal of experimental botany. - 2012. - Vol. 63. - No. 9. - P. 3485-3498. - DOI 10.1093/jxb/ers111.
Контактная информация: Салех Самуел
младший научный сотрудник лаборатории геномных исследований в растениеводстве, НИИСХ Северного Зауралья -филиал ТюмНЦ СО РАН 625501, Российская Федерация, Тюменская область, поселок Московский, улица Бурлаки, 2 E-mail: [email protected]
Боме Нина Анатольевна
профессор, заведующий кафедрой ботаники, биотехнологии и ландшафтной архитектуры, ФГАОУ ВО Тюменский государственный университет
625022, Российская Федерация, г. Тюмень, улица Володарского, 6 E-mail: [email protected]
Мурыгина Екатерина Александровна
магистрант, ФГАОУ ВО Тюменский государственный университет 625022, Российская Федерация, г. Тюмень, улица Володарского, 6 E-mail: [email protected]
Contact Information: Saleh Samuel
Junior Researcher, Laboratory of Genomic Research in Plant Growing, Northern Trans-Urals Research Institute of Agriculture - Branch of Tyumen Scientific Center 625501, Russian Federation, Tyumen Oblast, Moskoskiy settlement, Burlaki street, 2 E-mail: [email protected]
Bome Nina Anatolyevna
Professor, Head of the Department
of Botany, Biotechnology and Landscape
Architecture,
Tyumen State University
625022, Russian Federation, Tyumen,
Volodarsky street, 6
E-mail: [email protected]
Murygina Ekaterina Aleksandrovna
Master's student of the Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Education Tyumen State University
625022, Russian Federation, Tyumen, Volodarsky Street, 6 E-mail: [email protected]
