CC BY
47
Т. М. Прохорова, С. А. Степанов. Влияние Lr-генов на особенности строения зерновки пшеницы
УДК 633.11:581.48:575.1
ВЛИЯНИЕ ¿г-ГЕНОВ НА ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ ЗЕРНОВКИ ПШЕНИЦЫ
Т. М. Прохорова, 0. А. Степанов
Прохорова Татьяна Михайловна, кандидат биологических наук, старший преподаватель кафедры морфологии, патологии животных и биологии, Саратовский государственный аграрный университет имени Н. И. Вавилова, [email protected]
Степанов Сергей Александрович, доктор биологических наук, заведующий кафедрой микробиологии и физиологии растений, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского, [email protected]
Для защиты мягкой пшеницы от ржавчинных болезней широко привлекаются интрогрессивные гены устойчивости, локализованные в чужеродных транслокациях. В литературе отсутствуют сведения о влиянии ¿г-генов на отдельные структуры зародыша зерновки. Для решения этой проблемы были изучены линии До-брыня, устойчивые к листовой ржавчине. В работе представлены результаты исследования анатомо-морфологического строения зерновки мягкой пшеницы с ¿г-генами устойчивости к листовой ржавчине. Установлены различия между линиями с транслокациями по основным зародышевым структурам зерновки: щитку, колеоптилю и зародышевым листьям. Линейные параметры изученных структур зародыша варьировали в пределах следующих значений: длина щитка - 2255-2555, ширина - 2220-2398 мкм; длина колеоптиля - 1532-1667, ширина - 1385-1470 мкм; длина первого зародышевого листа - 955-1052 мкм, длина второго листа - 394-440 мкм; длина третьего листа - 181-208 мкм. Ключевые слова: мягкая пшеница, интрогрессивные линии, зерновка, щиток, колеоптиль, зародышевые листья.
Р01: 10.18500/1816-9775-2018-18-2-185-188
Среднее Поволжье - зона рискованного земледелия, где засушливые годы чередуются с острозасушливыми и умеренно влажными. Помимо засухи сильное влияние на снижение продуктивности культуры оказывают фитопа-тогенные организмы, среди которых особенно вредоносны возбудители ржавчины. По данным многих авторов [1-3], потери урожая зерна от бурой ржавчины в Поволжье могут достигать 30%, а у восприимчивых сортов в эпифитотий-ные годы - 40-62%.
Наиболее экологически безопасный способ защиты сортов пшеницы от поражения бурой ржавчиной - введение в них соответствующих генов устойчивости - £г-генов.
Одним из важных критериев, который следует учитывать в работе над устойчивостью к болезни, является то, что создаваемые линии не должны уступать лучшим районированным сортам ни по продуктивности, ни по качеству
зерна, так как переносимые гены устойчивости могут снижать ряд хозяйственно-полезных признаков. В настоящее время вопрос о влиянии Lr-генов на качество зерна остается предметом дискуссий. Мнения различных авторов относительно влияния Lr-транслокаций на урожайность и качество зерна противоречивы. В последнее время появились работы, изучающие влияние чужеродных транслокаций на различные качественные характеристики зерновки пшеницы. В работах А. И. Лайковой с соавторами при изучении продуктивности и качества зерна у иммунных линий было установлено, что ин-трогрессированный генетический материал не оказывает отрицательного влияния на данные признаки; они достоверно не отличались от сорта-реципиента, а некоторые даже превосходили его по отдельным показателям, в частности по содержанию клейковины и белка [4]. В исследованиях В. А. Крупнова и др. было выявлено, что транслокация Lr19 от Agropyron elongatum Host. не оказывает отрицательного влияния на содержание клейковины и ее качество в зерновке мягкой пшеницы [5] .
Некоторые исследователи сообщают о негативном влиянии чужеродных генов устойчивости на признаки, связанные с урожайностью и качеством зерна у линий мягкой пшеницы [6]. Негативный эффект фрагмента генома Aegilops umbellulata, содержащего ген Lr9, был установлен для изогенных линий озимой пшеницы, при тестировании которых обнаружено снижение урожайности, уменьшение числа и массы зерна в колосе на 3-14% по сравнению с родительским сортом [7].
В настоящее время актуальным остается вопрос о поиске новых методов, позволяющих на ранних этапах выявить потенциальные возможности растения и вывести в короткие сроки новые продуктивные сорта. В литературе отмечена тесная связь анатомо-морфологических признаков и качества зерна пшеницы [8,9], в связи с этим представляет интерес изучение особенностей анатомо-морфологического строения основных структур зерновки. Выявление корреляции урожайности, технологических свойств зерна и анатомо-морфологических признаков зерновки
© Прохорова Т. М., Степанов C. А., 2018
поможет на ранних этапах селекционных работ выявлять формы с высокими урожайными и хлебопекарными свойствами зерна.
В доступной литературе не выявлено данных о степени влияния Lr-reнов на анатомо-морфо-логическое строение зерновки пшеницы. В связи с этим целью нашего исследования было определить на примере линий Добрыня, содержащих гены устойчивости к ржавчине (Lr9, Lr19, Lr24, Lr25), имеются ли достоверные различия между линиями по анатомо-морфологическим показателям зерновки, в частности длине и ширине щитка и колеоптиля, а также длине и ширине зародышевых листьев эмбрионального побега.
Материалы и методы исследования
Материалом для исследования служили сорт-реципиент Добрыня Lr19 и линии Добрыня, содержащие гены устойчивости к бурой ржавчине Lr9, Lr24, Lr25, транслокации от чужеродных видов - Aegilops umbellulata ^г9), Agropyron elongatum ^г24), Secale cereale ^г25). Данные линии были созданы С. Н. Сибикеевым с коллегами (НИИСХ Юго-Восток г. Саратов) и любезно предоставлены нам для работы.
Исследования проводились в период с 2009 по 2012 г. Растения выращивали на делянках шириной 50 см по 15-20 зерен в ряду с расстоянием между рядами 25 см. Обработка полей полностью соответствовала агротехническим требованиям, предъявляемым в зоне для возделывания яровой пшеницы. Использовались неповрежденные, выровненные по размеру семена, взятые из средней части колоса главного побега. Для определения линейных размеров основных
По длине щитка достоверные различия были обнаружены между линиями Добрыня Lr19+Lr9 и линиями Добрыня Lr19, Добрыня Lr19+Lr25, Добрыня Lr19+Lr 24, а также между линиями Добрыня Lr19, Добрыня Lr19+Lr25 и линией Добрыня Lr19+Lr 24. По ширине щитка досто-
структур зародыша зерновки - щитка, колеоптиля и зародышевых листьев эмбрионального побега, из зерновок предварительно удаляли воздух с помощью вакуумного насоса и замачивали в чашках Петри с 10 мл дистиллированной воды, через 14-15 часов семена препарировали и изучали при помощи МБС-10 (n = 10). Статистическую обработку результатов исследований проводили с использованием программы Excel Windows 2000.
Результаты и их обсуждение
Щиток выполняет роль органа, всасывающего питательные вещества из эндосперма и направляющего их в зоны роста зачатков основных вегетативных органов будущего растения - вначале в зародыш, а затем к проростку. В период гетеротрофного питания клетки щитка обеспечивают гидролиз клеток эндосперма и активное поглощение органических кислот, углеводов, аминокислот, низкомолекулярных пептидов. Таким образом, щитку отводится роль связующего моста между зародышем и эндоспермом, по которому в зародыш поступают питательные вещества [10,11]. Исходя из вышеизложенного можно предположить, что большая величина щитка у отдельных линий пшеницы, возможно, будет способствовать лучшему снабжению побеговой и корневой частей проростка ассимилятами. Анализ данных измерений линейных размеров щитка линий Добрыня показал, что длина щитка варьировала от 2255 до 2555 мкм, ширина - от 2220 до 2398 мкм, причем максимальные значения как по длине, так и по ширине щитка были отмечены для линии Добрыня Lr24 (табл. 1).
верно различались между собой линии Добрыня Lr19, Добрыня Lr19+Lr9, Добрыня Lr19+Lr25 и линия Добрыня Lr19+Lr 24. При этом было обнаружено, что наибольшие величины как длины, так и ширины щитка были установлены для линии Добрыня Lr19+Lr 24.
Таблица 1
Размеры щитка и колеоптиля у линий Добрыня, мкм
Линия Добрыня Щиток Колеоптиль
длина ширина длина ширина
Lr19 2436±89 2275±79 1532±59 1385±65
Lr19+Lr 9 2255±78 2220±77 1542±67 1425±78
Lr19+ Lr 24 2555±101 2398±96 1667±63 1470±69
Lr19+ Lr 25 2430±96 2260±91 1552±72 1385±72
НСР 0,95 99 97 83 82
Т. М. Прохорова, С. А. Степанов. Влияние 1г-генов на особенности строения зерновки пшеницы
Главная почка зародыша состоит из верхней части зародышевого стебелька с конусом нарастания и зачатков нескольких листьев, одетых двукилевым влагалищным листом или коле-оптилем. Колеоптиль образует своеобразную уплощенную камеру, прикрывающую листья вместе с конусом нарастания побега, и главная функция которого - функция защитного чехла, прикрывающего почку зародыша зерновки. Защищая почку зародыша от повреждений в период прорастания, колеоптиль должен быть морфологически приспособлен к выполнению этих функций. Колеоптиль имеет форму клина с овальным основанием. Такая форма наиболее полно способствует назначению колеоптиля, а именно преодолению сопротивления почвы в период всхода проростка.
При изучении линейных размеров колеоптиля было установлено, что длина колеоптиля варьировала от 1532 до 1667 мкм, ширина - от 1385 до 1470 мкм, причем максимальные значения были также отмечены у линии Добрыня Lr19+Lr24. И по длине, и по ширине колеоптиля достоверно различались между собой линии Добрыня Lr19, Добрыня Lr19+Lr9, Добрыня Lr19+Lr25 и линия Добрыня Lr19+ Lr 24.
Закладка и формирование репродуктивных органов обусловлены функциональной деятельностью листьев. В ряде исследований было отмечено, что размеры зародышевых листьев тесно коррелируют с размерами листьев взрослого растения. Более старые по возрасту листья нижних
ярусов раньше достигают физиологической зрелости и способствуют более быстрому прохождению первых фаз развития растений. Наблюдения за растениями с удаленными листьями показали, что колосья растений, на которых были оставлены 1-, 2- и 3-й листы, по росту и состоянию развития практически не отличаются от контроля
[12]. Как отмечено ранее, между длиной примор-дия листа и степенью дифференциации тканей, представленных в нем, прежде всего проводящих тканей, наблюдается положительная зависимость
[13]. Учитывая данную особенность, следует ожидать, что линии пшеницы, отличающиеся высокими показателями длины зародышевых листьев, будут характеризоваться и более высокими показателями длины листьев взрослого растения, что при прочих равных условиях может способствовать большей величине урожайности. Таким образом, можно предположить, что различие в размерах зародышевых листьев связаны с развитием колоса и, следовательно, с урожайностью сорта.
Изучение линейных размеров листовых примордиев зародыша зерновки показало, что длина первого зародышевого листа варьировала от 955 до 1052 мкм, достоверные различия были выявлены между линией Добрыня Lr19+Lr9 и линиями Добрыня Lr19, Добрыня Lr19+ Lr 24, Добрыня Lr19+ Lr25. По ширине достоверные различия были обнаружены между линиями Добрыня Lr19, Добрыня Lr19 Lr25 и линиями Добрыня Lr19+Lr9, Добрыня Lr19+ Lr 24 (табл. 2).
Размеры зародышевых листьев у линий Добрыня, мкм
Таблица 2
Линия Добрыня Лист
1-й 2-й 3-й
длина ширина длина ширина длина ширина
Ьг19 990±34 681±26 394±14 413±10 189±8 226±9
ЬГ19+ЬГ 9 955±36 722±23 415±12 424±13 194±9 220±10
ЬГ19+ ЬГ 24 1052±32 744±28 440±11 450±10 208±7 235±9
ЬГ19+ ЬГ 25 1017±37 712±31 409±11 428±14 181±8 214±8
НСР 0,95 33 31 21 21 19 20
Длина второго зародышевого листа варьировала от 394 до 440 мкм, ширина от 413 до 450 мкм. По длине второго листового примордия достоверно различались между собой линии Добрыня Lr19, Добрыня Lr19+Lr9, Добрыня Lr19+Lr25 и Добрыня Lr19+Lr 24. По ширине линии достоверно различались между собой ли-
нии Добрыня Lr19, Добрыня Lr19+Lr9, Добрыня Lr19+Lr25 и Добрыня Lr19+Lr 24 (см. табл. 2).
При анализе линейных размеров третьего листового примордия было установлено, что длина варьировала от 181 до 208 мкм, ширина -от 214 до 235 мкм. Достоверные различия и по длине, и по ширине третьего зародышевого ли-
Биология
187
ста были обнаружены между линиями Добрыня Lr19, Добрыня Lr19+ Lr9, Добрыня Lr19+ Lr25 и Добрыня Lr19+ Lr 24 (см. табл. 2).
В результате проведенных измерений зародышевых структур зерновки были выявлены достоверные различия между исследуемыми линиями по следующим показателям: по длине и ширине щитка, по длине и ширине колеоп-тиля, по длине и ширине первого, второго и третьего зародышевых листьев. При анализе полученных результатов было обнаружено, что линия Добрыня Lr19+Lr24 всегда отличалась максимальными показателями измерений всех исследуемых структур зародыша зерновки.
Таким образом, в результате проведенных исследований можно предположить, что Lr-гены обеспечивают не только устойчивость растений к бурой листовой ржавчине, но и, возможно, оказывают влияние на анатомо-морфологическое строение зерновки.
Список литературы
1. Лебедев В. Б. Ржавчина пшеницы в Нижнем Поволжье. Саратов : Изд-во Сарат. гос. аграр. ун-та, 1998. 295 с.
2. Веденеева М. Л., Маркелова Т. С., Кириллова Т. В., Аникеева Н. В. Стратегия селекции болезнеустойчивых сортов пшеницы в Поволжье // Агро XXI. 2002. № 2. С. 12-13.
3. Сибикеев С. Н., Дружин А.Е. Пребридинговые исследования почти изогенных линий яровой мягкой пшеницы с комбинацией транслокаций от Agropyron elongatum и Aegilops ventricosa Tausch // Генетика и селекция растений. 2015. Т.19, № 3. С. 310-315.
4. Лайкова Л. И., Арбузова В. С., Ефремова Т. Т., Попова О. М., Ермакова М. Ф. Оценка продуктивности и качества зерна у иммунных линий мягкой пшеницы сорта Саратовская 29 // Сельскохозяйственная биология. 2007. №5. С 75-85.
5. Крупнов В. А., Васильчук Н. С. Проблемы селекции и семеноводства полевых культур // Агро XXI. 2000. № 5. С. 18-19.
6. Singh R. P., Huerta-Espino J. Effect of leaf rust resistance gene Lr34 on grain yield and agronomic traits spring wheat // Crop. Sci. 1997. Vol. 37. P. 390-395.
7. Ortelli S., Winzeler H., Fried P. M., Nosberger J., Winze-ler M. Leaf rust resistance gene Lr9 and winter wheat
yild reduction. I. Yield and yield components // Crop. Sci. 1996. Vol. 36. P. 1590-1595.
8. СтронаИ. Г. Проблемы семеноведения и семеноводства на современном этапе// Селекция и семеноводство. 1984. № 56. С. 85-88.
9. Степанов С. А. Морфогенез пшеницы : анатомические и физиологические аспекты. Саратов : Слово, 2001. 213 с.
10. Данович К. Н., Соболев Л. И, Жданова Л. П. Физиология семян. М. : Наука, 1982. С. 43-126.
11.Добрынин Г. М. Рост и формирование хлебных злаков. Л. : Колос, 1969. 275 с.
12. Заблуда Г. В. Влияние условий роста и развития на морфогенез и продуктивность хлебных злаков // Агробиология. 1948. № 1. C. 78-91.
13. Степанов С. А., ИвлеваМ. В., КасаткинМ. Ю. Физиологическое значение листьев главной почки зародыша зерновки пшеницы // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Химия. Биология. Экология. 2012. Т. 12, вып.2. С. 57-60.
Influence of Lr-genes on Сharacteristics of Wheat Grain Structure
T. M. Prokhorova, S. A. Stepanov
Tatiana M. Prokhorova, ORCID 0000-0003-4530-4617, Saratov State Agrarian University, 1, Teatralnaya Sqr., Saratov, 410012, Russia, [email protected]
Sergey А. Stepanov, ORCID 0000-0001-6399-7678, Saratov State University, 83, Astrakhanskaya Str., Saratov, 410012, Russia, [email protected]
To protect bread wheat from rust diseases, introgressive resistance genes located in alien translocations are commonly used. In the literature there are no data on the effect of Lr-genes on the structures of the embryo grain. For the solution of these problems, developed lines Dobrynya, resistant to leaf rust. In work results of research of the anatomic-morphological structure of the grains wheat Lr-genes of resistance to leaf rust. The differences between the lines with the translocations on the main embryonic structures grain: the shield, the coleoptiles and the embryonic leaves. The linear parameters of the studied embryo structures varied within the following values: length of the shield - 2255-2555, width - 2220-2398 microns; length of the coleoptile - 1532-1667, width - 1385-1470 microns; length of the first embryo leaf - 955-1052 microns, length of the second leaf -394-440 microns; length of the third leaf - 181-208 microns. Key words: common wheat, introgression lines, grain, shield, co-leoptile, embryonic leaf.
Образец для цитирования:
Прохорова Т. М., Степанов C. А. Влияние Lr-генов на особенности строения зерновки пшеницы // Изв. Сарат. унта. Нов. сер. Сер. Химия. Биология. Экология. 2018. Т. 18, вып. 2. С. 185-188. DOI: 10.18500/1816-9775-201818-2-185-188.
Ote this article as:
Prokhorova T. M., Stepanov S. A. Influence of Lr-genes on ^am^ristics of Wheat Grain Structure. Izv. Saratov Univ. (N.S.), Ser. Chemistry. Biology. Ecology, 2018, vol. 18, iss. 2, pp. 185-188 (in Russian). DOI: 10.18500/1816-9775-201818-2-185-188.
