Влияние факторов космического полета на морфобиологические особенности различных генотипов яровой мягкой пшеницы

Милехин Алексей Викторович; Менибаев Асхат Исмаилович; Булгакова Анастасия Александровна

УДК631.531 : 629.78

ВЛИЯНИЕ ФАКТОРОВ КОСМИЧЕСКОГО ПОЛЕТА НА МОРФОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАЗЛИЧНЫХ ГЕНОТИПОВ ЯРОВОЙ МЯГКОЙ ПШЕНИЦЫ

ФГБНУ «Самарский НИИСХ», п.г.т. Безенчук Самарской обл.

Статья поступила в редакцию 16.11.2017

Изложены первичные результаты космического эксперимента с семенами высших растений, проведенного на космическом аппарате Фотон-М №4. Представлены материалы полевых наблюдений и лабораторных анализов за 2017 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 и электромагнитное космическое излучение) теоретически могут повлиять на процессы экспрессии генов и рекомбиногенеза, что может расширить веретено генотипической вариабельности и получить

Милехин Алексей Викторович, кандидат сельскохозяйственных наук, заведующий лабораторией биотехнологии сельскохозяйственных растений. E-mail: [email protected] Менибаев Асхат Исмаилович, научный сотрудник лаборатории селеки^и и генетики яровой мягкой пшеницы. Булгакова Анастасия Александровна, научный сотрудник лаборатории селекции и генетики яровой мягкой пшеницы.

новые хозяйственно значимые генетические конструкции. Таким образом, основная задача, поставленная нами в эксперименте - изучить влияние факторов космического полета на морфобиологические, 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 агроэко-логическим 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 -пшеница» участвовали сорта, и перспективные селекционные линии яровой мягкой пшеницы: Тулайковская золотистая, Тулайковская 5, Ту-

лайковская 100, Тулайковская 10, Тулайковская 110, Тулайковская победа, Грекум 1003, Лютес-ценс 916. Схема опыта предусматривала три варианта: 1. вариант «К» (семена хранившиеся в наземных условиях); 2. вариант «ГИПО» (семена, находившиеся во время полета в гипомаг-нитном модуле); 3. вариант «НЭ» (семена, находившиеся во время полета в обычном модуле). Полевой эксперимент был организован путем посева семян на шестирядковых делянках площадью 1,0 м2 в двух повторениях с рендомизи-рованным размещением по блокам. В период вегетации проведены фенологические наблюдения. Перед уборкой с каждой делянки были отобраны растения (25 шт.) для определения структуры урожая по признакам: высота растений, длина верхнего междоузлия, длина колоса, количество колосков в колосе, масса стебля, масса колоса, масса зерна. В данной научной работе представлены результаты наземного морфоби-ологического исследования генетических образцов яровой мягкой пшеницы первого послеполетного поколения.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Проведенные лабораторные и полевые исследования показали разностороннее влияние условий космической среды на биометрические показатели растений различных генотипов яровой мягкой пшеницы (табл. 1-4).

Значимое влияние экспериментальной среды оказано на биометрические показатели стебля большинства генотипов. Исключение составил лишь сорт Тулайковская 10 по которому не

зафиксировано достоверное изменение высоты растения, длины верхнего междоузлия и длины колоса (табл. 1).

При этом, при выращивании опытных семян второго года в период вегетации 2017 года данные тенденции не подтвердились. Достоверные изменения отмечены только у сортов Тулайков-ская золотистая (высота растений НЭ), Тулайковская 100 (длина верхнего междоузлия НЭ) и Лютесценс 916 (высота растений ГИПО) (табл. 2).

Существенное влияние факторов космического полета на биометрические показатели колоса были зафиксированы лишь у отдельных генотипов и только по количеству колосков в колосе.

При выращивании опытных семян первого года в период вегетации 2016 года положительное влияние отмечено у сортов Тулайковская золотистая и Лютесценс 916, в то время как у сорта Тулайковская 10 отрицательное. Влияние космических условий среды на массу колоса и зерна в зависимости от генотипов не наблюдалось (табл. 3).

В условиях вегетации 2017 года достоверного влияния факторов космической среды на биометрические показатели колоса не установлено (табл. 4).

Отсутствие, в большинстве случаев, значимых морфо-биологических изменений в исследуемых образцах яровой мягкой пшеницы вероятно связано с использованием в качестве объекта изучения сухих семян находящихся в состоянии глубокого биологического покоя. По литературным данным, максимальное воздействие мутагенных факторов отмечается, как правило, на активно развивающихся точках ро-

Таблица 1. Влияние факторов космического полета на биометрические показания стебля, 2016 г.

Опытные образцы Высота растения, см Длина верхнего междоузлия, см Длина колоса, см

НЭ ГИПО К НЭ ГИПО К НЭ ГИПО К

Тулайковская золотистая 71,6 75,8 71,4 29,9 30,7 31,0 8,2 7,3 6,7

Грекум 1003 60,5 67,0 69,1 27,5 27,4 28,7 7,8 7,9 9,4

Тулайковская 5 61,4 58,3 69,0 28,7 23,9 29,6 6,7 7,3 7,7

Тулайковская 100 68,9 61,7 61,8 31,9 27,6 27,9 7,2 6,8 6,4

Лютесценс 916 71,7 74,4 70,8 32,2 35,7 31,7 6,2 8,1 7,1

Тулайковская 10 77,4 76,4 75,4 34,2 32,5 31,0 7,6 7,8 8,2

Тулайковская 110 76,4 78,6 72,0 32,8 33,3 30,8 8,8 9,2 9,0

Тулайковская победа 72,8 72,5 71,3 34,6 32,7 31,1 8,7 8,5 8,1

НСР 05 6,26 3,28 1,11

Таблица 2. Влияние факторов космического полета на биометрические показания стебля, 2017 г.

Опытные образцы Высота растения, см Длина верхнего междоузлия, см Длина колоса, см

НЭ гипо К НЭ ГИПО К НЭ ГИПО К

Тулайковская золотистая 83,3 87,0 91,3 38,3 37,1 39,6 9,9 9,5 9,9

Грекум 1003 89,9 88,7 88,6 47,8 45,1 46,4 9,2 9,8 9,0

Тулайковская 5 83,2 82,7 83,9 42,1 41,1 43,0 10,2 10,1 10,0

Тулайковская 100 75,0 81,3 78,4 34,6 39,7 38,1 8,7 10,2 9,9

Лютесценс 916 80,9 75,6 83,5 42,2 36,6 40,0 9,1 9,6 10,1

Тулайковская 10 90,0 86,3 89,2 43,2 38,1 40,1 10,0 9,8 9,9

Тулайковская 110 81,0 82,0 84,2 35,9 37,9 38,6 8,6 9,7 9,6

Тулайковская победа 86,0 86,0 81,3 41,2 39,5 37,8 8,6 10,2 9,3

НСР 05 4,7 3,4 Не достоверно

Таблица 3. Влияние факторов космического полета на биометрические показатели колоса, 2016 г.

Опытные образцы Количество колосков в колосе, шт. Масса колоса, г Масса 1000 зерен, г

НЭ ГИПО К НЭ ГИПО К НЭ ГИПО К

Тулайковская золотистая 14,0 12,0 11,4 1,8 1,8 1,0 34,5 35,6 33,2

Грекум 1003 13,4 14,0 14,6 1,2 1,4 2,0 28,1 32,9 17,8

Тулайковская 5 11,6 11,2 12,2 1,2 1,2 1,6 29,9 32,4 34,7

Тулайковская 100 13,3 13,4 11,6 1,2 1,0 1,4 34,7 29,1 32,5

Лютесценс 916 11,8 14,2 11,1 1,0 1,6 1,2 31,1 33,2 30,4

Тулайковская 10 11,8 13,0 14,8 1,4 1,2 1,4 33,1 30,3 31,5

Тулайковская 110 14,8 15,8 14,6 1,8 2,0 1,8 30,5 35,9 31,8

Тулайковская победа 14,2 13,6 14,2 1,6 1,8 1,6 34,2 34,7 32,8

НСР 05 1,95 Не достоверно Не достоверно

ста растений [1]. Таким образом, при дальнейшем изучении факторов космического полета в качестве объекта исследования нами предлагается использование культуры клеточной (каллусной) ткани различных генотипов. В 2017 году в лаборатории биотехнологии сельскохозяйственных растений была получена клеточная культура in vitro различных сортов яровой мягкой пшеницы. Начаты экспериментальные работы по определению оптимальных режимов культивирования растительной клеточной

культуры в условиях космического полета. Совместно с учеными Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева ведется разработка опытного образца биоинкубатора для культивирования клеточной культуры в условиях космоса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, проведенные лабораторные и полевые эксперименты показывают различную

Таблица 4. Влияние факторов космического полета на биометрические показатели колоса, 2017 г.

Опытные образцы Количество колосков в колосе, шт. Масса колоса, г Масса 1000 зерен, г

НЭ ГИПО К НЭ ГИПО К НЭ ГИПО К

Тулайковская золотистая 15,4 15,4 15,4 2,05 1,77 1,80 37,5 34,9 35,3

Грекум 1003 14,8 14,6 14,2 2,0 1,98 1,92 39,2 37,3 34,6

Тулайковская 5 13,5 12,8 14,4 1,97 2,13 1,80 53,4 58,2 37,4

Тулайковская 100 13,2 15,6 15,1 1,23 2,03 1,86 35,1 38,6 41,2

Лютесценс 916 13,9 15,0 15,4 1,49 1,70 2,20 37,0 37,3 40,8

Тулайковская 10 12,8 15,4 14,6 2,03 1,93 2,35 40,0 35,8 41,7

Тулайковская 110 12,8 15,4 15,0 1,54 1,61 1,69 37,6 34,9 37,3

Тулайковская победа 13,0 14,6 14,0 1,57 1,95 1,66 39,3 39,5 38,9

НСР 05 Не достоверно Не достоверно Не достоверно

степень и характер влияния факторов космического полета на различные генотипы яровой мягкой пшеницы. Для установления достоверного влияния необходимо проведение дополнительных исследований на клеточном уровне. Считаем целесообразным при продолжении изучения влияния факторов космического полета на растительный материал в качестве объекта исследований

использовать растительную клеточную культуру в виде активно-растущей клеточной ткани.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ауэрбах Ш. Проблемы мутагенеза. Пер. с англ. Э.В. Гнездицкой и др.; [под ред. Н.И. Шапиро]. М.: Мир, 1978. 463 с. .

THE INFLUENCE OF SPACE FLIGHT FACTORS ON MORPHOLOGICAL CHARACTERISTICS OF DIFFERENT GENOTYPES OF SPRING WHEAT

Samara Research Scientific Institute of Agriculture, 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 2017. Keywords: space experiment, the seeds of crops, the factors of space flight.

Alexey Milekhin, Candidate of Agricultural Sciences, Head of Agricultural Plants Biotechnology Laboratory. E-mail: [email protected]

Ashat Minibaev, Research Fellow of Selection and Genetics of Spring Soft Wheat Laboratory.

Anastasiya Bulgakova, Research Fellow ofSelection and Genetics of Spring Soft Wheat Laboratory.

THE INFLUENCE OF SPACE FLIGHT FACTORS ON MORPHOLOGICAL CHARACTERISTICS OF DIFFERENT GENOTYPES OF SPRING WHEAT

Текст научной работы на тему «Влияние факторов космического полета на морфобиологические особенности различных генотипов яровой мягкой пшеницы»