«Каид МОРФОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ГЕНОТИПОВ АЛЛОЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКОЙ ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ, ОТОБРАННЫХ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ МОЛЕКУЛЯРНОГО МАРКИРОВАНИЯ И УРОВНЮ ИХ СТРЕССТОЛЕРАНТНОСТИ К МЕТЕОТРОПНЫМ РИСКАМ ...»

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

На правах рукописи

Мухаммед Тауфик Ахмед Каид

МОРФОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ГЕНОТИПОВ

АЛЛОЦИТОПЛАЗМАТИЧЕСКОЙ ЯРОВОЙ ПШЕНИЦЫ, ОТОБРАННЫХ ПО

РЕЗУЛЬТАТАМ МОЛЕКУЛЯРНОГО МАРКИРОВАНИЯ И УРОВНЮ ИХ СТРЕССТОЛЕРАНТНОСТИ К МЕТЕОТРОПНЫМ РИСКАМ

Специальность: 03.02.07 – генетика; 06.01.05 – селекция и семеноводство Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель кандидат биологических наук доцент О.Г.Семенов Москва -

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………... ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………… 1.1 Причины и особенности экологических рисков в сельском хозяйстве Республики Йемен ……………………………………………………… 1.2. Засухоустойчивость пшеницы как проявление неспецифической адаптации к природным стрессовым факторам ……………………… 1.3. Дефицит влаги как лимитирующий фактор, меняющий уровень физиологических процессов растений пшеницы …………………….. 1.4 Особенности функционирования защитных механизмов растений при стрессовом воздействии на них дефицита влаги... ……………………. 1.5 Генетическая система гибридов аллоцитоплазматической пшеницы как отражение комплементарного характера взаимодействия ядерной и внеядерной генетических систем…..……………………………….. 1.6 Внутрипопуляционная изменчивость как источник формообразовательных процессов у пшеницы мягкой T.aestivum L… 1.7. Влияние глютенинов на хлебопекарные качества пшеницы………….. 1.8. Принципы и методы создания аллоцитоплазматической пшеницы T.aestivum L………………………………………………………………. ГЛАВА 2. ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ…………... ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ……………….. 3.1 Морфобиологическое разнообразие генотипов АЦПГ в исходной гибридной популяции в условиях стрессовых воздействий засухи 2010 г в период формирования и налива зерновок пшеницы (IX-XI этапы органогенеза)……………………………………………………… 3.2. Сравнительная характеристика линий и гибридов АЦПГ по элементам продуктивности в условиях засухи 2010 года и в условиях достаточного увлажнения (2008 и 2009 гг.)……………………………. 3.3. Специфика реакции изучаемых генотипов АЦПГ, отобранных в 2010г, на стрессовое воздействие засухи (2011г) в период формирования вегетативной массы растений (II -VII этапы органогенеза) ………………………………………………………… 3.4. Анализ аллельного состава генов, связанных с хлебопекарными качествами, у аллоцитоплазматических гибридов пшеницы…………. Скрининг аллельного состава генов, связанных с 3.4.1.

хлебопекарными качествами зерна у гибридных популяций АЦПГ……………………………………………………………… 3.5. Скрининг одиннадцати линий АЦПГ, созданных на основе отбора в 2010г продуктивных колосьев, и анализа аллельного состояния высокомолекулярных глютенинов методом ПЦР…………………….. 3.5.1. I группа – исходная популяция с цитоплазмой T.timopheevi… II группа – исходная популяция: АЦПГ T.timopheevi 3.5.2.

SV66342 х оз. сорт Заря, F1 (№ 2д/04)………………………... 3.5.3. III группа – исходная популяция с цитоплазмой Secale cerealе.. 3.5.4. IV группа - исходная популяция с цитоплазмой Secale cerealе. 3.5.5. V группа –популяция АЦПГ с цитоплазмой пшеницы мягкой T.aestivum L……………………………………………………… ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………… ВЫВОДЫ………………………………………………………………… СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ…………………………………………… СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……………………………………………… ПРИЛОЖЕНИЯ 1-9……………………………………………………..

ВВЕДЕНИЕ

В современном мире, как известно, возрастает острота экологических проблем, связанная, в частности, с увеличением аридности во многих регионах мира, где доминируют такие лимитирующие факторы развития растений, как дефицит влаги, избыточная инсоляция и процессы прогрессирующего засоления почв. В связи с разнообразием природных зон, многообразием экологических условий и ухудшением экологической обстановки в мире возникает необходимость селекции сортов экологически специализированных, сочетающих хорошую продуктивность с устойчивостью к абиотическим и биотическим факторам среды, когда небольшие колебания среднего уровня неизбежны и допустимы, но риски, связанные с потерями продукции должны быть сведены к минимуму. Поэтому необходим поиск новых генетических систем пшеницы с более высоким уровнем адаптационного потенциала для более эффективного использования возможностей идиотипа растений, что обеспечит повышение устойчивости урожая.

Такой подход особенно актуален в условиях Республики Йемен, поскольку проблема селекции качественных сортов пшеницы, пригодных для выращивания в Республике Йемен и отличающихся устойчивостью к дефициту влаги и жаростойкостью, является исключительно важной.

В стране особенно остро ощущается дефицит пахотных земель, поскольку земли, пригодные для выращивания сельскохозяйственных культур, занимают всего лишь 1,8-2% от всей ее территории. Оазисное земледелие, где выращивают зерновые культуры (просо, сорго, пшеница, ячмень), возможно лишь в пустынных и полупустынных районах на юге и юго-востоке страны.

Проблема обеспечения стабильных урожаев у вновь создаваемых сортов пшеницы (яровой и озимой) зависит, как известно, от множества факторов, среди которых генетический фактор, детерминирующий процессы устойчивости, занимает ведущее место.

Однако возможности генетического преобразования основных механизмов, обусловливающих устойчивость растений к нерегулируемым факторам внешней среды (засухам, высокому температурному режиму и др.) весьма ограничены.

Известно также, что устойчивость растений к экологическим стрессам (особенно температурным) является наиболее дефицитной категорией адаптивного потенциала.

Адаптация как одно из наиболее глобальных явлений в природе заключается в генетически детерминированном процессе формирования систем устойчивости, функционирующих, как на клеточном и органном, так и на организменном и популяционном уровнях, обеспечивающих растению возможность осуществления процессов роста и развития в условиях, значительно выходящих за рамки оптимальных.

Одной из самых актуальных задач современной селекции хлебных злаков является создание растения нового типа, более жизнестойкого и продуктивного с высоким КПД формообразовательных процессов. Возможны два разных по трудности пути к повышению продуктивности культурных растительных форм.

Один - это частичное смещение корреляций формообразования в пользу хозяйственно-ценной продуктивности, когда отбором достигается переключение процессов роста и развития с вегетативной системы на генеративную. И второй это коренная перестройка всей организации растений, изменяющая природную, созданную естественным отбором, систему корреляции между процессами роста, развития и старения в пользу увеличенной продуктивности, полезной человеку.

Создание сложных систематически отдаленных гибридных форм, объединяющих полезные для выращивания признаки разных видов и даже родов злаков, перспективный путь к указанной цели. В современной практике примерами такой селекции является получение пшенично-ржаных, пшенично-пырейных и аллоцитоплазматических форм пшеницы.

Реализация селекционных программ создания сортов пшеницы с высоким адаптационным потенциалом в значительной степени зависит от наличия источников и доноров устойчивости. В связи с этим поиск новых генетических моделей, позволяющих конструирование генотипов растений, устойчивых к биотическим и к абиотическим факторам, имеет актуальное значение в современных экологических условиях.

Такими системами являются аллоцитоплазматические пшеницы T.aestivum L. на цитоплазме дикорастущих злаков (различные виды рода Aegilops), некоторых видов пшеницы (Triticum timopheevi Zhuk), а также на цитоплазме ржи зерновой - Secale cereale L. (озимый сорт Вятка). Эти формы АЦПГ созданы путем беккроссирования доноров цитоплазмы пыльцой пшеницы мягкой (T.aestivum L.) с одновременным отбором самофертильных форм и выбраковкой форм с ЦМС. Такие аллоцитоплазматические формы пшеницы (яровые и озимые) созданы в Российском университете дружбы народов; лучшие из них проходят конкурсное и производственное испытание.

Гибриды аллоцитоплазматической пшеницы с различными типами цитоплазмы представляют, с одной стороны, удобный модельный объект для изучения сложных процессов регулирования экспрессии генома растений, с другой — имеют важное селекционное значение как доноры хозяйственноценных признаков, обусловленных ядерно-цитоплазматическим взаимодействием [28].

Актуальность темы. Расширение генетического разнообразия пшеницы, как известно, является весьма важной проблемой в селекции. Это обусловлено тем, что генетический потенциал современного генофонда культуры в значительной степени исчерпан, и возникает большая потребность в новых источниках и донорах ценных признаков и свойств. Актуальность данной проблемы обусловлена также изменившимися экологическими условиями в связи с активно идущими деградационными процессами на планете в целом. Возникает потребность в новых сортах с повышенной устойчивостью к стрессовым природным факторам, обладающих высокой продуктивностью, сочетающейся с хорошими технологическими свойствами зерна.

Особенно актуальна эта задача для селекции зерновых, в частности для пшеницы, поскольку генетическое разнообразие современных сортов этой культуры (T.aestivum L.) весьма ограничено в связи с использованием в селекции сравнительно небольшого числа геноисточников, а также в связи с длительным интенсивно направленным отбором в специфических почвенно-климатических условиях. Специализация в процессе направленного отбора одних признаков и свойств сопряжена, как известно, с ослаблением и ухудшением других признаков, поскольку в системе целостного онтогенеза между ними часто существуют отрицательные корреляции [2]. Поэтому в процессе селекции пшеницы мягкой весьма сложно воплотить в создаваемом генотипе трудно сочетаемые признаки, в частности, такие как достаточно высокий уровень адаптации и продуктивности в конкретных почвенно-климатических условиях и хорошие технологические свойства зерна, которые связаны, в первую очередь, с содержанием и качеством клейковины. Известно, что значительное влияние на хлебопекарные качества зерна пшеницы оказывают глютенины, поскольку они определяют силу, эластичность и упругость клейковины, при этом наибольшее значение имеет состав высокомолекулярной фракции этих белков.

Решение этой задачи облегчается благодаря объединению методов одновременным учетом результатов анализа технологических свойств зерна.

Использование новых генетических систем, в частности, таких как гибриды обеспечивающих более высокий уровень адаптации растений к стрессовым факторам среды, сочетаемой с хорошими технологическими свойствами зерна.

традиционной селекции расширяет возможности осуществления целевой селекции растений пшеницы.

Цели и задачи - комплексный морфобиологический анализ полиморфизма гибридных популяций аллоцитоплазматической яровой пшеницы T.aestivum L. и линий, созданных на основе индивидуального отбора по результатам молекулярного маркирования с целью интенсификации целевой селекции АЦПГ на устойчивость к засухе и на качество зерна.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

1. морфобиологический анализ и отбор генотипов АЦПГ по уровню их адаптации к воздействию стрессовых факторов (дефицит влаги, высокий температурный режим) в различные периоды онтогенеза растений пшеницы в полевых условиях 2010-2012гг (полевая станция МСХА);

2. сравнительный анализ структуры субъединиц высокомолекулярных глютенинов в гибридных популяциях АЦПГ, различающихся по уровню морфобиологического полиморфизма;

высокомолекулярных глютенинов с качественными характеристиками клейковины в зерне у линий АЦПГ, созданных на основе индивидуального отбора их популяций;

4. идентификации перспективных линий АЦПГ, сочетающих хорошие характеристиками клейковины в зерне.

практическом использовании методических подходов повышения эффективности аллоцитоплазматической яровой пшеницы с различными типами цитоплазмы на основе скрининга аллельного состава генов, связанных с качеством клейковины зерна.

Практическая значимость работы заключается в создании одиннадцати ценных по качеству зерна генотипов (линий) АЦПГ на основе разработанных методических подходов, предусматривающих комплексный морфобиологический анализ с одновременным скринингом аллельного состава высокомолекулярных глютенинов методом ПЦР.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Причины и особенности экологических рисков в сельском хозяйстве Одной из главных проблем XXI века является глобальное изменение климата и его влияние на окружающую среду. К причинам глобальных изменений относят естественные колебания в развитии природных процессов под воздействием планетарного развития Земли, а также постоянно нарастающий процесс антропогенного воздействия на функционирование геосистем различного уровня. Глобальное потепление в наибольшей степени проявляется на пространстве между 40 – 70 ° с.ш. над сухими аридными областями. Колебания урожайности в зависимости от погодных условии являются объективной реальностью для земледелия всего мира.

На фоне этих глобальных изменений особенно остро экологические проблемы проявляются в регионах жаркого климата, в частности, в связи с истощением природных ресурсов, используемых сельским хозяйством. Из этих ресурсов ключевыми и самыми ценными являются земля, вода и генетическое разнообразие живой природы.

В Республике Йемен в последние годы прошлого века и в первое десятилетие XXI в. обострились проблемы сельского хозяйства, обусловленные дефицитом водных ресурсов и воздействием такого природного фактора, как засуха. В связи с высокими темпами роста населения увеличивается потребность в пищевых продуктах, в частности, в зерне пшеницы, которая импортируется страной в количестве около двух миллионов тонн в год. Кроме того, импортируется триста тысяч тонн муки, поскольку в стране возможности производства зерна пшеницы ограничены 6% от общей потребности.

Подавляющее большинство йеменского населения, даже в сельских районах, являются «чистыми» покупателями продовольствия и лишь 4% сельских домашних хозяйств являются его производителями. В стране импорт зерновых культур составляет около 80% потребления (90% пшеница и 100% рис), поэтому последний всплеск мировых цен на продовольствие вызвал значительный рост внутренних цен и обусловил один из худших показателей недоедания в мире.

В связи с этим в Республике Йемен возникает необходимость разработки новых подходов к развитию сельского хозяйства страны, в основе которых лежит необходимость решения таких взаимосвязанных проблем, как природоохранная и продовольственная проблемы страны, которые продолжают обостряться в связи с высокими темпами роста населения и, соответственно, с увеличением потребности в продуктах питания.

Йемен расположен на Ближнем Востоке в юго-западной части Аравийского полуострова. На востоке страна граничит с Оманом, а на севере – с Саудовской Аравией. Западное побережье Йемена омывается водами Красного моря, югозападное – водами Баб-эль-Мандебского пролива, южное – водами Аденского залива и Аравийского моря. Баб-эль-Мандебский пролив отделяет Аравийский полуостров от Африки и является одним из самых загруженных водных путей в мире. В состав государства также входят многочисленные острова Красного моря, самый крупный из которых Ханиш, Камаран и Перим, а также острова Аравийского моря, среди которых выделяется остров Сокотра, являющийся самым большим островом страны. Общая площадь страны – 527 970 кв.км.

сельскохозяйственных культур, поскольку это пастбища и каменистая пустыня [68]. Пахотные земли, пригодные для производства сельскохозяйственной продукции составляют не более 3% от общей территории страны (табл.1).

Таблица 1 - Структура основных экосистем Республики Йемен Культивируемы земли Леса и кустарники Пастбища территории В горах Йемена развито террасное земледелие, где выращиваются зерновые и кофе. В стране нет крупных водоемов, и это отразилось на приемах возделывания земли и способах ее орошения. Влага, приносимая муссонами, собирается и сохраняется в каскадах рукотворных террас, так называемых «висячих садах», на крутых склонах холмов. Вода постепенно перетекает с поля на поле, равномерно распределяясь по террасам.

Несмотря на то, что сельскохозяйственные площади увеличились с 37 тыс.

га (в 1970г) до 410 тыс. га (в 2004г) продовольственная проблема не только не улучшилась, но и осложнилась в связи с острым дефицитом пресной воды. В таких условиях обеспечить продовольствием быстро растущее население Йемена стало невозможным. Значительную часть воды (40%) сельскохозяйственное производство получает благодаря использованию подземных вод. Однако, уровень подземных вод ежегодно снижается на 5-6 метров, и в настоящее время новые скважины для добычи воды должны иметь глубину 900-1000метров, что отражается на стоимости воды. В некоторых горных областях Йемена потребление питьевой воды не превышает одного литра на человека в день. В столице государства – городе Сана – ситуация с пресной водой такова, что через десять лет Сана может стать первой в мире столицей, где элементарно закончится вода [31].

Такой источник влаги как дождевая вода тоже весьма ненадежен. Сельское хозяйство в Йемене во многом зависит от дождевой воды, так в центральной провинции Дамар в 2009г, количество осадков было значительно ниже среднестатистического уровня, кроме того, они начали выпадать на три недели позже, чем обычно. В результате этого многие культуры пострадали от засухи, особенно это коснулось центральных горных районов.

В долинах, которые являются основными производителями зерна, сельскохозяйственных угодий страны находится под угрозой опустынивания.

Пустынные районы вообще остаются без дождя иногда по нескольку лет подряд.

Отсутствие дождей в последние годы привело к значительному снижению производства зерновых культур, в частности, если в 2008г было собрано 715 тыс.

тонн зерна сорго и пшеницы, то в 2009 – всего лишь 675 тыс. тонн.

Большую проблему для сельского хозяйства Йемена составляет уменьшение площадей пахотных земель, занятых производством зерна, за счет расширения посевов «кат». Растения «кат» (Catha Edulis) – это кустарник семейства бересклетовых, являющийся мягким наркотиком, поэтому это самая доходная культура из выращиваемых в Йемене. Этот кустарник выращивается на хорошо орошаемых почвах горных плантаций на высоте от 1600 до 2700м. В его производстве занято 16% населения. Площадь лесных плантаций, занятая катом, расширяется с каждым годом, требует обильного полива и приводит к снижению производства зерна.

Сложные политические проблемы оказывают негативное влияние на решение сельскохозяйственных и экономических проблем. В частности, в 2009г.

многие фермеры из северных провинций Саада и Омран, производившие 20% зерновых культур, вынуждены были покинуть свои фермы.

По мере ухудшения экологической обстановки в стране происходит сокращение естественных мест обитания многих представителей местной флоры и фауны. Это происходит в результате вырубки деревьев и кустарников, что оказывает негативное влияние на видовое разнообразие многих представителей растительного и животного мира, в том числе на виды – эндемики, сохранившиеся в условиях уникального климата и географического положения страны [31].

Биоразнообразие морских, прибрежных и болотных районов находится в большой опасности из-за вырубки мангровых лесов для использования древесины в качестве топлива. Сокращение разнообразия живой природы - одно из самых актуальных негативных явлений, происходящих в современном мире. Это наиболее яркий пример необратимости процессов, происходящих на планете и приводящих, в конечном итоге, к снижению устойчивости природных экосистем.

Негативное влияние на окружающую среду оказывает бессистемное использование пестицидов и химических удобрений в процессе традиционного орошении при выращивании сельскохозяйственных культур.

Низкий уровень агротехнических мероприятий и чрезмерное стравливание пастбищ способствуют расширению масштабов опустынивания. В частности, неконтролируемая эксплуатация неорошаемых сельскохозяйственных земель приводит к снижению плодородия почв, что, в свою очередь ускоряет эрозию почв.

Острый дефицит влаги снижает урожай до такого уровня, который не позволяет производителю компенсировать его затраты на производство сельскохозяйственной продукции и способствует в дальнейшем к сокращению пахотных площадей.

Наиболее важным условием реализации программ сбалансированного экономического развития страны является необходимость совместного решения экономических, социальных и экологических проблем в связи с их тесной взаимосвязью. Успех этих решений зависит от внешней финансовой помощи стране с целью осуществления необходимых внутренних реформ, направленных на расширение сельскохозяйственного производства и сохранение его природной ресурсной базы.

1.2. Засухоустойчивость пшеницы как проявление неспецифической адаптации к природным стрессовым факторам Известно, что в аридных регионах доминируют такие лимитирующие факторы развития растений, как дефицит влаги, избыточная инсоляция и процессы прогрессирующего засоления почв. В связи с этим возрастает актуальность изучения механизма биологической адаптации живых организмов на различных уровнях их организации и ступенях развития.

С генетической точки зрения устойчивость - полигенный признак, находящийся, вероятнее всего, под контролем не просто нескольких геномов, а всего генотипа растения в целом [9, 10].

В настоящее время усилия ученых направлены на полную расшифровку механизмов стресса на молекулярном и клеточном уровнях. Особый интерес вызывают данные об активации в условиях стресса в клетках синтеза так называемых стрессовых белков с одновременным ослаблением синтеза белков, образующихся в нормальных условиях. Кроме синтеза шоковых белков, показывающего, что в геноме записана специальная программа, связанная с переживанием стресса, при неблагоприятных обстоятельствах в клетках возрастает содержание углеводов, пролина, которые участвуют в защитных реакциях, стабилизируя цитоплазму. При водном дефиците и засолении у ряда растений концентрация пролина в цитоплазме возрастает в 100 раз и более.

Благодаря своим гидрофильным группам пролин может образовывать агрегаты, которые ведут себя как гидрофильные коллоиды. Этим объясняется высокая растворимость пролина, а также способность его связываться с поверхностными гидрофильными остатками белков. Необычный характер взаимодействия агрегатов пролина с белками повышает растворимость белков и защищает их от денатурации. Накопление пролина как активного осмотического вещества благоприятствует удержанию воды в клетке [30].

Продолжительность периода репарации после стресса тем больше, чем выше напряженность экстремального фактора, и чем ниже уровень устойчивости к нему растения. Первоначальное, слабое по силе экстремальное воздействие делает организм устойчивым к более сильной стрессовой нагрузке. При этом оказалось, что устойчивость к стрессовому воздействию повышает предварительная обработка (закалка) растений не только тем же, но и другими типами экстремальных факторов. Наиболее чувствительным к стрессам является период с повышенной синтетической активностью.

В экстремальных условиях образование боковых побегов резко подавляется, а при пороговом уровне стресса полностью блокируется, и у растений развивается лишь один главный побег. Боковые побеги отличаются от главного значительно большей чувствительностью к неблагоприятным внешним воздействиям.

Сохраняя в таких условиях лишь главный побег, организм создает условия для образования полноценных семян, хотя и в ограниченном количестве. Для сохранения вида как биологической единицы это важнее, чем образование большого количества неполноценных семян с пониженной жизнеспособностью.

При продолжительном отклонении погодных условий от оптимальных депрессии в первую очередь подвергается тот элемент структуры урожая, формирование которого совпало с периодом действия стресса [30].

неблагоприятным факторам среды имеет важное значение при изучении устойчивости растений к какому-либо одному виду стресса для раскрытия механизмов адаптации растений к другим стрессам, а также для более детального выяснения общей природы устойчивости растений и разработки общих принципов ее повышения [10].

В многолетних исследованиях коллекции растительных ресурсов ВИРа по единой программе получены данные по реакции растений на засуху, засоление, высокие и низкие температуры. Результаты исследований характера изменения под влиянием этих стрессов большого числа физиологических, биохимических, биофизических, морфолого-анатомических и ультраструктурных параметров у разных по стрессовой устойчивости видов и сортов растений в обобщенном виде представлены в таблице 2.

Наличие такого однообразия конечного эффекта при воздействии на растение качественно разных стрессовых факторов является следствием поливариантности путей развертывания и реализации программы онтогенетического развития растительного организма, нивелирующей возможные специфические отклонения промежуточных звеньев этой программы.

Характерной особенностью адаптации растений, например, к засухе и засолению является резкое возрастание в них осмотического потенциала, но при засухе за счет повышения в клетках концентрации органических соединений, а при засолении — путем аккумуляции ионов солей из внешней среды [14].

Таблица 2 - Изменение физиологических параметров у растений в условиях стрессов (по Удовенко, 1995) транспирации транспирации активность ДНК водорастворимых белков Синтетические реакции Подавлены Подавлены Подавлены Подавлены 1.3. Дефицит влаги как лимитирующий фактор, меняющий уровень физиологических процессов растений пшеницы Засуха - это один из часто встречающихся неблагоприятных факторов внешней среды, воздействующих на растения. Оптимальный уровень водообеспеченности для всех культивируемых растений создается при влажности почвы в пределах 60–70 % от ее полной влагоемкости. Разный уровень устойчивости к засухе обусловлен некоторыми биологическими особенностями видов растений [34]. Больше всего растения повреждаются засухой в период формирования репродуктивных органов (IV-IX этапы органогенеза) [38].

Под засухоустойчивостью понимают способность растений давать хозяйственноценный урожай при засухе. Засухоустойчивость - это комплексный признак, который обеспечивается механизмами толерантности [6].

Засуха - это комбинация атмосферных и почвенных условий, при которых происходит глубокое и длительное нарушение водного режима растений. При длительном увядании, когда закрываются устьица, нарушается транспирация и, как следствие, фотосинтез и дыхание, снижаются синтетические процессы, усиливается распад углеводов и белков, в результате чего не происходит ресинтез протоплазмы. При недостатке влаги в корнях усиливаются процессы распада и ослабляются процессы синтеза, тормозится рост, снижается поглощение влаги и питательных веществ. При засухе происходит гидролиз полисахаридов и накопление сахарозы и разных гексоз в клетках, увеличивается содержание аминокислот; происходит снижение способности белков связывать воду; падает водоудерживающая сила клетки, и растение гибнет. Под влиянием засухи в листьях снижается количество РНК вследствие уменьшения ее синтеза и активации рибонуклеаз. В цитоплазме наблюдается распад полирибосомных комплексов. Изменения, касающиеся ДНК, происходят лишь при длительной засухе. Из-за уменьшения свободной воды возрастает концентрация вакуолярного сока. Изменяется ионный состав клеток: усиливается проницаемость мембран, выход из них ионов. При обезвоживании у растений значительно усиливается интенсивность дыхания (возможно, из-за большого количества субстратов дыхания - сахаров), а затем постепенно снижается. В условиях водного дефицита быстро тормозятся клеточное деление и особенно растяжение, что приводит к формированию мелких клеток. Вследствие этого задерживается рост самого растения, особенно листьев и стеблей. Рост корней в начале засухи даже ускоряется и снижается лишь при длительном недостатке воды в почве [30].

При повышенных температурах общее ослабление организма делает его более восприимчивым к некоторым грибным заболеваниям. У пшеницы высокая температура почвы во время кущения приводит к повреждению конуса нарастания, в котором в это время происходит дифференциация колосков. В результате получается уменьшение числа колосков в колосе и числа цветков в колоске, в силу чего урожай значительно снижается. Обезвоживание вызывает усиление действия ферментов в сторону гидролиза, а потому задерживает все синтетические процессы. Наиболее действенным средством борьбы с почвенной засухой является повышение способности растений выдерживать длительное увядание. Именно способность выдерживать длительное увядание является важнейшим фактором, обусловливающим засухоустойчивость растений, и, следовательно, внутренним физико-химическим особенностям растений принадлежит решающая роль.

Способность растений на первых этапах использовать влагу в условиях недостаточного водоснабжения является одним из важных биологических и хозяйственно-полезных признаков. Определяя количество проросших семян на растворах с высоким осмотическим давлением, имитирующем условия физиологической сухости, представляется возможным определить на ранних этапах онтогенеза относительную засухоустойчивость видов и сортов растений.

Засуха влияет на все физиологические процессы: на структурнофизиологическое состояние, на процессы поглощения и транспорта воды в растении, устьичные давления, транспирацию, фотосинтез, дыхание, ферментативную активность, минеральное питание, рост, урожай и др. При этом нужно различать действие короткой и продолжительной засухи, атмосферной и почвенной. При атмосферной засухе у растений усиливается транспирация, что может привести к большой потере воды. При невысокой температуре корневая система растений хорошо развита, поэтому непростительная атмосферная засуха не причиняет им большого вреда.

Неблагоприятное влияние почвенной засухи, часто сопровождаемой высокой температурой, состоит в том, что растения испытывают длительный дефицит воды, из-за недостаточного ее поступления из почвы. Прежде всего, действие засухи сказывается на водном обмене растения. Большая потеря воды за счет интенсивной транспирации, превышающая поступление воды через корневую систему, вызывает развитие в растении водного дефицита. В жаркую солнечную погоду водный дефицит может возникнуть к середине дня. Вначале водный дефицит вызывает временное, более сильное открывание устьиц, что приводит к ускорению транспирации и понижению температуры листьев.

Одновременно высокая транспирация активирует поступление воды из корней в побеги, в результате в клетках корней уменьшается водный потенциал и увеличивается поступление воды из почвы в корни [17].

Если водный дефицит не ликвидируется, то растение увядает. Увядание проявляется в том, что клетки теряют тургор, в результате быстро расходующие воду листья и молодые верхушки стеблей повисают, устьица закрываются, и транспирация уменьшается. В этом заключается приспособительное значение увядания. Однако остальные части растения содержат еще довольно много воды.

Различают два типа увядания: временное и длительное.

Временное увядание наблюдается чаще при атмосферной засухе, когда днем транспирация увеличивается настолько, что поступающая из почвы вода не успевает восполнить ее потерю. Однако при уменьшении транспирации, например, ночью водный дефицит исчезает, тургор восстанавливается и возобновляется нормальная жизнедеятельность. Большого вреда временное увядание не приносит, но все же снижает урожай, так как какое-то время устьица были закрыты, а фотосинтез и рост останавливались. Временное увядание нередко наблюдается у сахарной свеклы, подсолнечника, тыквы и других сельскохозяйственных растений [17].

Длительное увядание появляется в тех случаях, когда почва не содержит доступной для растений воды. Возникший при этом тканях растения водный дефицит не восстанавливается за ночь, и утру клетки растения не могут нормально выполнять свои функции. В этом случае даже низкая транспирация постепенно приводит к падению тургора во всех частях растения и к уменьшению водного потенциала клеток листьев. Увядающие листья начинают оттягивать воду из верхушечных меристем побегов и корней, из корневых волосков, которые отмирают. В результате не только поглощение солей, но и долго не восстанавливается нормальное поступление воды после полива растений. В начале засухи устьица сначала открываются шире, поэтому интенсивность фотосинтеза немного увеличивается. Однако в условиях развивающегося водного дефицита они скоро закрываются, что затрудняет поступление СО2 и приводит к снижению интенсивности фотосинтеза на 20—25%. При более длительном действии засухи интенсивность фотосинтеза резко снижается, нарушается синтез хлорофилла и структура хлоропластов, разобщаются транспорт электронов и фотофосфорилирование [17].

В начале обезвоживания растений дыхание усиливается благодаря гидролизу имеющихся в клетках запасных веществ и увеличению количества сахаров — главного дыхательного субстрата, а затем снижается. Сопряжение дыхания и окислительного фосфорилирования также сначала увеличивается, но если обезвоживание продолжается, то происходит разобщение этих процессов, образуется меньше АТФ и показатель Р/О падает. В результате освобождаемая при дыхании энергия выделяется в окружающую среду главным образом в виде тепла, а на метаболические процессы ее тратится мало.

Падение тургора, снижение интенсивности фотосинтеза и изменения в составе гормонов вызывают торможение роста сначала надземных органов, а потом корней. Ингибирование растяжения клеток является одной из самых быстрых ответных реакций растения на засуху. Корни дольше продолжают расти, так как в процессе своего роста они двигаются к воде. Торможение роста побегов приводит к сокращению транспирирующей поверхности. Так как ауксин стимулирует растяжение клеток, а его концентрация уменьшается, то у листьев формируется ксероморфная структура. В то же время водный дефицит, как и другие экстремальные факторы, ускоряет заложение цветков.

В условиях длительной засухи рост корня замедляется, а чувствительные к недостатку воды корневые волоски отмирают. Замедление роста корня в условиях развивающейся засухи приводит к уменьшению поглощения минеральных солей, прежде всего азота и фосфора. В результате усиливается реутилизация недостающих элементов из нижних листьев, что приводит к их отмиранию.

Засуха вызывает существенные изменения в гормональной системе растений - уменьшается содержание гормонов, активизирующих рост (ауксинов, цитокининов, гиббереллинов, стимуляторов роста фенольной природы) и возрастает АБК, а также количество этилена [25]. Накопление АБК при усилении засухи тормозит синтез РНК, в корнях АБК задерживает синтез цитокининов [4, 18, 25].

предшественника этого гормона - триптофана, что снижает транспорт ауксина по растению, Особенно отрицательно засуха влияет на генеративные органы, при этом происходят значительные нарушения в мейозе.

Следовательно, засуха приводит к отклонениям в нормальном ходе физиолого-биохимических процессов на разных уровнях организации растении, отрицательно сказываясь на росте и его продуктивности, нередко приводя к гибели.

1.4. Особенности функционирования защитных механизмов растений при Максимальная реализация потенциальной продуктивности сорта возможна лишь при наличии всех необходимых условий для роста и развития растений.

Однако в естественней обстановке сочетание почвенно-климатических, агрометеорологических и других фактов редко бывает наиболее благоприятным во все периоды онтогенеза растительного организма. Ценность сорта определяется его продуктивностью, устойчивостью к неблагоприятным условиям среды и качеством урожая. Однако совместить в одном сорте выполнение всех этих требований очень трудно. Зоны выращивания важнейших сельскохозяйственных культур характеризуются неодинаковым уровнем влажности и температуры в отдельные периоды вегетации. Поэтому сорта, засухоустойчивые в одних условиях, могут оказаться неустойчивыми в других.

Многие засухоустойчивые сорта в годы с благоприятными периодами вегетации дают значительно меньший урожай, чем неустойчивые к засухе сорта.

Поэтому при создании засухоустойчивых сортов учитывается амплитуда приспособительных реакций и в производство рекомендуются сорта, которые во влажные годы не уступают или мало уступают слабоустойчивым к засухе, а в засушливые годы сильно превосходят их по продуктивности. Растения устойчивых к засухе сортов отличается высокой водоудерживающей способностью. Исходя из этого, характер изменений водного потенциала в зависимости от водосбеспеченности растений часто используется для определения степени устойчивости генотипа к засухе. Следует иметь ввиду, что не всегда высокоустойчивые к водному дефициту сорта сельскохозяйственных культур достаточно жаростойки [5]. Дальнейшая разработка вопросов водного режима и засухоустойчивости генотипа необходима для выяснения оптимальных условий формирования высокой продуктивности культуры при наиболее эффективном использовании воды.

организационную, расхожую и метаболическую. Под организационной он понимает гомеостатическую воду, уровень которой определен генетически и может колебаться от 3 до 500% в расчете на воздушно-сухую массу.

Гомеостатическая вода - это уровень, без которого жизнедеятельность растения невозможна. Содержание гомеостатической воды сильно различается по экологическим группам и изучение ее является важным вопросом водного обмена [39].

В физиологии растений под стрессом понимают влияние внешних факторов, неблагоприятных для жизни растения, а под устойчивостью к ним - способность выжить в этих условиях и даже осуществить рост и воспроизведение. Стрессреакция возникла и закрепилась в процессе эволюции как биологически полезная [36]. Стрессовая реакция при действии стресс-факторов предшествует развитию адаптации. Однако при достаточно сильном и продолжительном действии стрессфактора стресс-реакция может стать основой различных функциональных нарушений.

Водный стресс вызывает дегидратацию и повреждение растений на разных уровнях их организации. Дегидратация содержимого клеток, обусловленная засухой, приводит к потере тургора, снижению водного и осмотического потенциала, интенсивности и продуктивности фотосинтеза, транспирации.

Интенсивность последнего снижается в результате закрытия устьиц. В начальной фазе воздействия засухой интенсивность и эффективность дыхания повышаются.

Однако если напряженность засухи возрастает, адаптивные возможности организма не приводят его к устойчивому состоянию, и энергетический баланс дыхания становится отрицательным, снижается степень сопряженности окисления и фосфорилирования [8].

При умеренной засухе наблюдается синтез легкорастворимых белков, возможно, более гидрофильных; меньше меняются труднорастворимые (нуклео- и лило протеиды). Возрастает количество органического фосфора (фосфорные эфиры сахаров, нуклеотидфосфаты и др.), дыхание становится более интенсивным, не теряет эффективности. При нарастании стресса снижаются оводненность, синтез белков, за счет распада сложных углеводов уменьшается водный и осмотический потенциал, интенсивность дыхания теряет эффективность [21].

В условиях глубокого водного стресса у растений происходят необратимые нарушения метаболизма. Деятельность энзиматической системы направлена в сторону гидролиза, а в листьях растений увеличивается количество водорастворимых белков за счет гидролитического распада конституционных и некоторых запасных. Свободных аминокислот несколько больше в листьях растений, подвергнутых засухе. Возрастание уровня аминокислот при засухе объясняется усилением защитных свойств клетки в связи с их ролью в нейтрализации аммиака. С возрастанием стресса увеличивается уровень пролина. Пролин исчезает при регидратации, окисляясь, вовлекается в синтез белка. Чем быстрее этот процесс происходит, тем устойчивее сорт. При стрессе также наблюдается недостаточное количество нуклеиновых кислот, гормонов, разрушается липидный слой мембран, экструзируются мембранные белки, выделяются ионы, отмечено прямое повреждение растений [21].

Известно значение белков, включая энзимы, в устойчивости к засухе [5].

обезвоживания и после его устранения - непременное условие репарационных процессов. В настоящее время проводятся исследования стрессовых белков, которые образуются в клетках растений в ответ на действие того или иного неблагоприятного условия.

Водный стресс приводит к изменению и таких субклеточных структур, как хлоропласты и митохондрии [5]. Выявлены особенности изменения хлоропластов у засухоустойчивых и незасухоустойчивых растений. В листьях адаптированных к засухе растений отмечается большая стабильность воды, зеленых пигментов, возрастание числа зон легкорастворимых белков при электрофорезе в полиакриламидном геле, меньшие изменения наблюдаются в структурных белках.

При водном стрессе увеличивается число зон глико- и липопротеидов, содержание нуклеопротеидов остается стабильным.

Таким образом, устойчивость к водному стрессу - это врожденная способность к саморегуляции процессов на различных уровнях организации растений, выработанная под влиянием неблагоприятных условий, влажности среды (засуха, затопление, резкая перемена влажности), эволюции, закрепленная отбором и проявляющаяся в онтогенезе при воздействии этих условий.

Пшеница подвергается действию засухи практически на всех этапах развития, поэтому перед селекционерами стоит задача создания сортов, устойчивых к данному стресс-фактору на протяжении всего вегетационного периода. Задача облегчается тем, что в популяции яровой пшеницы наследуемость термостабильности клеточных мембран в составила в опытах 89% [65].

Растения испытывают водный дефицит, когда скорость транспирации превосходит скорость поглощения воды корневой системой. Снижение обезвоживанию увеличение концентрации ионов в цитоплазме вызывают различного рода нарушения в структуре и функциях биополимеров, в частности происходит денатурация белков и подавляется их ферментативная активность, изменяется структура липидного биослоя мембран и нарушается их целостность.

Деструктивные изменения в мембранах в свою очередь приводят к нарушению внутриклеточной компартментации веществ и подавлению электрогенеза.

На клеточном уровне водный дефицит выражается в потере тургора. На уровне целого растения водный дефицит часто проявляется в обращении градиента водного потенциала в системе почва-корень-побег и ингибировании роста. Способность растения адекватно отвечать на водный дефицит и выживать в условиях этого стресса зависит от эффективности защитных механизмов растения.

Из множества белков, появление которых в клетках растений вызвано водным дефицитом, одни вовлечены в формирование механизмов устойчивости непосредственно, тогда как другие участвуют в регуляции экспрессии генов, индуцируемых стрессором. В соответствии с этим гены, экспрессируемые в растениях при водном стрессе, подразделяют на функциональные и регуляторные.

Первая группа включает гены, которые отвечают непосредственно за формирование механизмов устойчивости, т.е. биосинтез аквапоринов, образующих водные каналы, ферментов, требующихся для биосинтеза осмолитов (пролина, глицин-бетаина, многоатомных спиртов и др.), белков, которые защищают макромолекулы и мембраны (Lea-белков, шаперонов и др.), протеаз и убиквитинов, ускоряющих белковый обмен в стрессовых условиях, а также аскорбатпероксидаза, глутатион-S-трансфераза и др.).

Вторая группа содержит гены белков, которые участвуют в передаче сигнала при экспрессии других генов, формирующих механизмы устойчивости, таких, например, как гены протеинкиназ, фосфолипазы С и 14-3-3-белков. К этой группе относятся гены транскрипционных факторов, которые «узнают» ДНКэлементы в генах, экспрессируемых при стрессе.

Известно, что к защитной реакции относится способность растений снижать интенсивность роста под действием ингибиторов. При засухе число ингибиторов роста у ряда растений возрастает, а стимуляторов - падает. Отмечается, что среди ингибиторов обнаружены фенольные соединения - фенолкарбоновые кислоты и вещества терпеноидной природы, однако фенольные вещества при засухе и их значение в устойчивости изучены недостаточно.

Рассматривается вопрос об использовании химических антитранспирантов в качестве экзогенных регуляторов транспирации. Имеются доказательства, позволяющие утверждать, что фитогормоны играют роль при стрессовых антитранспирантов может снижать фотосинтез и, следовательно, урожай, а также эффект от экономии воды.

1.5. Генетическая система гибридов аллоцитоплазматической пшеницы как отражение комплементарного характера взаимодействия ядерной и В связи с резкой континентальностью климата для яровой пшеницы становится исключительно острым такой фактор как дефицит влаги. Поэтому возникает необходимость поиска новых генетических моделей сортов пшеницы, экологических условиях.

Одним из таких подходов является создание в РУДН коллекции ядерноцитоплазматических гибридов пшеницы, сочетающих геном пшеницы мягкой (Triticum aestivum L.) с чужеродной цитоплазмой различных видов эгилопса, пшеницы и ржи (Aegilops ovata, Triticum timopheevi, Secale cerealе L. и др.).

Объектом исследования являются принципиально новые ядерноцитоплазматические генетические системы яровой пшеницы, полученные путем беккроссирования в чужеродную цитоплазму Triticum timopheevi, Aegilops ovata, Secale cereale L. Они сочетают высокий уровень адаптации растений к качественными характеристиками зерна.

В основе общих принципов устойчивости растений лежит понимание идиотипа высших растений как высокоинтегрированной системы, в которой основные адаптивные и хозяйственно-ценные признаки контролируются коадаптированными блоками генов, весьма устойчивыми к мейотической рекомбинации [10].

Большое влияние на характер онтогенетической адаптации растений оказывают цитоплазматические детерминанты, то есть совокупность всех внехромосомных наследственных элементов клетки (плазмон). Генетические системы в цитоплазме контролируют наследование важных адаптивных признаков у цветковых растений и обеспечивают свой потенциальный вклад в генотипическую изменчивость [47].

устойчивости, так как через нее происходит реализация генетического потенциала генома в морфогенезе. Изменчивость генотипических систем цитоплазмы может цитоплазмы, а также через центральную (ядерную) генетическую систему клетки.

комплементарные генетические системы клетки, тесно взаимодействующие между собой и со средой обитания. Характер этого взаимодействия определяет внутреннюю организацию и динамику процессов жизнедеятельности.

Наследование органелл у растений гораздо детальней изучено для хлоропластов, чем для митохондрий. К настоящему времени описано лишь несколько случаев, когда у растений митохондрии не наследовались строго по материнской линии [48, 43, 56, 54].

Конечно, вклад этих генетических систем в реализацию наследственных свойств организма неодинаков. Ядро как интегрирующий центр генетической видоспецифических свойств организма. Тогда как генетическая система цитоплазмы определяет тактику жизни клетки, обусловливая уровень адаптивной реакции на меняющиеся условия среды [28].

Возможность практического использования внеядерной наследственности с целью повышения адаптивных возможностей у T.aestivum L. появилась с созданием самофертильных аллоцитоплазматических форм пшеницы мягкой.

Характер проявления адаптивных реакций растений в онтогенезе определяется не отдельными генами и геномами, а идиотипом в целом, то есть совокупностью всех наследственных факторов. Иначе, под контролем коадаптивных генов и коадаптации генома в целом находятся основные адаптивные реакции высших растений.

Сложившееся сложное взаимодействие между раздельными и в то же время взаимосвязанными генетическими системами “ядро-хлоропласты”, а также “ядромитохондрии” могло возникнуть лишь в результате переноса генов в обоих направлениях. Все это свидетельствует о том, что в интегрированной системе растения важная роль принадлежит генетическим компонентам цитоплазмы, то есть совокупности всех внехромосомных наследственных элементов клетки (плазмону).

Ядро как интегрирующий центр генетической информации клетки ответственно за стратегию формирования константных видоспецифических свойств организма, тогда как цитоплазматические факторы определяют тактику жизни клетки, обусловливая большую гибкость и адаптивную реакцию на меняющиеся условия среды. Все пластидные гены делятся на две группы. К первой группе относятся все гены, связанные с работой генетического аппарата пластид: гены транспортных и рибосомных РНК, РНК-полимеразные гены и гены, кодирующие белки пластидных рибосом [48, 60, 61, 39]. Ко второй группе принадлежат гены большой субъединицы рибулозодифосфаткарбоксилазы, фотосистем I и II, цитохромного комплекса b/f, АТФ-синтазные гены [62, 63].

аллоцитоплазматической пшеницы раскрывает широкие возможности в решении ряда принципиальных проблем. К ним относятся такие, как проблема регулирования экспрессии генома и расширения адаптационных возможностей пшеницы, а также проблема ядерно-цитоплазматического гетерозиса и его закрепления в поколениях [28].

Проявление цитоплазматической наследственности следует рассматривать как результат ядерно-цитоплазматических взаимодействий. При этом необходимо отметить тесную кооперацию и интеграцию систем генома и плазмона. С типом цитоплазмы связаны такие важные биологические функции растений, как иммунитет и устойчивость к неблагоприятным факторам.

Значительная часть количественных признаков растений, влияющая на продуктивность и приспособленность растений, обусловлена действием не только ядерных, но и цитоплазматических генов. Так, по оценке японских исследователей, около 25% генотипической изменчивости обусловлено генами органелл, в то время как 75% приходится на долю ядерного генотипа. Такой удивительный факт, когда менее 1% генов, находящихся в цитоплазме, способны обусловливать до 25% общей генетической изменчивости можно объяснить двумя причинами. Во-первых, тем, что гены органелл играют важную роль в обеспечении важнейших энергетических процессов в жизни растения — фотосинтеза и дыхания, протекание которых тесно связано с различными функциями организма. Во-вторых, при создании аллоцитоплазматических линий используется межвидовая изменчивость по цитоплазматическим генам и, как правило, внутривидовая изменчивость по ядерным генам [7].

1.6. Внутрипопуляционная изменчивость как источник формообразовательных процессов у пшеницы мягкой T.aestivum L.

Triticum aestivum L. — один из крупнейших и древнейших видов культурных растений с ареалом, охватывающим все континенты, что определяет масштабы этого вида. Хотя пшеница мягкая считается более молодым видом в сравнении с тетраплоидными, данные археологических исследований свидетельствуют о глубокой ее древности. Пшеница мягкая была одомашнена в глубокой древности на родине рода Triticum — в Передней Азии, на Ближнем и Среднем Востоке.

Представления о внутривидовой системе Т. aestivum L. в корне изменились со времени экспедиций Н. И. Вавилова по Средней Азии, Ирану, Афганистану, Индии. Он указал на Переднюю Азию как на единый центр происхождения пшениц всех трех уровней плоидности.

Роль гибридизации в эволюции тесно связана с общебиологическим значением полового процесса, возникновение которого у групп первичных организмов было мощным стимулятором их эволюции. Слияние при половом процессе двух гамет с не вполне тождественными генотипами тоже создает возможность некоторой деспециализации потомков по сравнению с их родителями, и отсюда, как указывал Darlington (1937), особи всех видов, имеющих половой процесс, являются в какой-то степени гибридами.

Роль гибридогенного формообразования у высших растений хорошо видна на примере трибы пшеницевых (Triticеае Dumort.) семейства злаков (Poaceac). К этой трибе принадлежат пшеница (Triticum L.), рожь (Secale L.) и ячмень (Hordeum L.), а также многие ценные кормовые растения. Эволюция пшениц осуществлялась путем присоединения к первичному геному А диплоидных пшениц-однозернянок (2n=14) сначала генома В, принадлежащего к диплоидным (2n=14) видам секции Sitopsis (Jaub. et Spach) Zhuk. рода эгилопс, что привело к возникновению тетраплоидного (2n=28) вида пшениц. В дальнейшем к этому виду произошло присоединение генома D, донором которого явился диплоидный (2n=14) вид Aegilops tauschii Coss, что привело к возникновению широко культивируемой гексаплоидной пшеницы (2n=42) – Triticum aestivum L.

Поскольку все три генома вполне специфичны и входящие в них хромосомы при мейозе не конъюгируют, то вполне очевидно, что стабилизация гибридов в этом случае произошла в результате амфиполиплоидизации [37].

Гибридизацию можно считать одним из основных факторов увеличения биологического разнообразия в природе [3, 37].

Разумеется, для того, чтобы гибриды стали самостоятельными таксономи, они должны стабилизироваться и занять определенное место в природе.

Возможности успешной стабилизации гибридов у однолетников, как правило, значительно меньше, чем у гибридов-многолетников. Это, вероятно, объясняется тем, что при первом цветении гибридов цветки часто оказываются стерильными, а при последующих цветениях фертильность их хотя бы отчасти восстанавливается. У однолетников же первое цветение единственное. Отсюда нередко наблюдаемое наличие у однолетников первичного диплоидного числа хромосом, в то время как близкие многолетние виды оказываются полиплоидами.

Характер изменения адаптивного признака организма определяется не только условиями внешней среды, но и особенностями других признаков. В связи с этим различают внешний и внутренний стабилизирующий отбор, в качестве последнего выступает онтогенетическая среда. При этом давление внешнего и внутреннего отбора на различные признаки оказывается неодинаковым и обусловлено положением каждого из них в адаптивной иерархии соответствующих функций и структур [60].

Генетическая стабильность является результатом отбора и имеет существенное значение для выживания в относительно короткие промежутки времени, поскольку в течение более длительного периода могут произойти такие изменения условий среды, преодоление которых возможно только за счет способности к изменчивости.

Stebbins (1959) отмечает два основных способа стабилизации гибридов у высших растений. Во-первых, стабилизация очень часто достигается путем амфиполиплоидии, которая обычно имеет место уже во время гибридизации, и тогда ее результатом являются вполне устойчивые и фертильные гибриды — амфиполиплоиды.

Другой способ стабилизации гибридов осуществляется в ходе достаточно широко распространенной в природе интрогрессивной гибридизации [3], когда при повторных скрещиваниях гибрида с одним из предковых видов его фертильность постепенно восстанавливается. В этом случае за счет дополнительного проникновения генов этого предка в генотип гибрида он может стабилизироваться без изменения хромосомных чисел. Интрогрессивная гибридизация часто имеет место во время направленных климатических изменений, когда один из видов, более приспособленный к новым условиям, наступает на позиции менее приспособленного вида, который нередко оказывается полностью «поглощенным» наступающим видом с образованием нового, гибридогенного таксона.

Генетическая структура популяции обычно характеризуется частотами аллелей (сочетанием количественных соотношений аллелей одного локуса) и частотами генотипов (количественные соотношения генотипов, контролируемые аллелями одного гена).

Особенности организации генетического кода и его передачи по наследству (конвариантная редупликация по матричному принципу), а также характер реализации генетической информации в онтогенезе определяют генетическую уникальность каждой особи. Генетическая уникальность особей определяет, в свою очередь, генетическую гетерогенность (и уникальность) любой природной группировки особей, в том числе и популяции.

Генетическая гетерогенность популяции первично возникает за счет наследственных изменений, и поддерживается и усиливается за счет процессов комбинации уже существующего в каждой природной популяции генетического материала. Это происходит под действием различных эволюционных сил — естественного отбора, случайных колебаний потока аллелей внутри и между популяциями в пространстве (отражение интенсивности этого потока — уровень изоляции), или во времени (неизбежные колебания частот аллелей в ходе волн численности). Наконец, это же происходит и под влиянием различных систем гетерогенности, например гетерозиготность и доминирование) [41]. Одним из проявлений генетической гетерогенности (и одновременно важнейшей особенностью генетической структуры природных популяций) является внутрипопуляционный генетический полиморфизм — длительное существование в популяции двух или более генетически различных форм в таких соотношениях, возникновением новых мутаций.

Однако несмотря на отмеченную постоянную генетическую гетерогенность (а, возможно, именно благодаря ей) любая популяция образует сложную генетическую систему [41]. Поразительное разнообразие пшениц позволило Н. И.

Вавилову пересмотреть значимость многих признаков для систематических целей. Он обратил внимание на то, что, несмотря на большое количество разновидностей, аборигенная пшеница мягкая характеризуется общим комплексом признаков, приуроченным к определенному ареалу. К таким комплексным, или групповым, признакам у пшеницы мягкой относится плотность заключения зерновок в чешуях, и, связанная с этим, трудность обмолота и Грубоколосые, грубоостые формы трудно обмолачиваются, ксерофильны, свойственны в первую очередь районам Западной Азии. В противоположность им мягкоостые формы с колосом нежного построения легко обмолачивающиеся, свойственны Европе и северным умеренным районам Азии [19].

Происхождение гексаплоидной пшеницы связывают, как отмечено выше, с тетраплоидного вида.

Система легкого обмолота, контролируемая фактором Q не могла быть привнесена донором генома D, так как не обнаружена ни одна его форма, которая бы имела в своем генотипе этот фактор. Он мог возникнуть у пшеницы на гексаплоидном или тетраплоидном уровне.

Пшеница мягкая — экологически наиболее пластичный вид. Она сумела приспособиться к разнообразным климатическим условиям и поэтому возделывается на всех континентах земного шара. Еще П.М. Жуковский (1971) отмечал, что пшеница мягкая имеет огромный экологический потенциал. Если плодородных степей и лесостепью юга, то посевы пшеницы мягкой внедрились в солонцеватые степи, пустыни, полупустыни и освобожденные от древостоя регионы лесной полосы Нечерноземья.

В то же время пшеница мягкая неустойчива к комплексу болезней и вредителей, ежегодно уносящих значительную часть ее урожая. Н.И.Вавилов в целом характеризовал пшеницу мягкую как вид, восприимчивый к желтой и стеблевой ржавчине, а также к мучнистой росе. Причина этого – в ее геномном составе. Меньшая устойчивость к грибным болезням гексаплоидпых видов секции Triticum по сравнению с тетраплоидными видами секции Dicoccoides связана с геномом D [19].

В настоящее время староместные популяции почти повсеместно вытеснены селекционными сортами. Однако исторически сложившиеся в определенных определяющей тип и темпы протекания важнейших физиологических процессов (Е. Н. Синская, 1969), играют большую роль при создании сортов для различных почвенно-климатических условий.

Путем отдаленных эколого-географических скрещиваний, значительно расширяющих норму реакции гибридных популяций, созданы ценнейшие сорта интенсивного типа. Площади под этими сортами нередко значительно превышают ареал экологической группы, к которой их можно отнести по ряду биологических свойств. Большую роль в этом играет современная сортовая агротехника.

Экологические группы пока не являются узаконенными таксонами, но представляют собой ценнейший вспомогательный материал, позволяющий четко представить структуру вида, его разнообразие и целостность. Кроме того эколого-географические группы хорошо характеризуют специфику сортового состава пшеницы, что широко используется в селекционном процессе при подборе компонентов гибридизации.

1.7. Влияние глютенинов на хлебопекарные качества пшеницы Хлебопекарные качества сортов мягкой пшеницы определяются в основном двумя факторами: газообразующей способностью и газоудерживающей силой теста. На газообразующую способность теста влияет содержание естественных сахаров, качество крахмала и ферментативная активность амилазы.

Газоудерживающая сила зависит от содержания клейковины и ее качества, протеолитической активности протеаз, способности клейковины удерживать в тесте выработанный дрожжами углекислый газ.

Клейковина, формирующаяся в тесте, представляет собой полимер коротких субъединиц глютенина и липидов, в совокупности дающих эластичность и силу теста. В мягкой пшенице белки, формирующие клейковину, закодированы в локусах, картированных в 1 и 6 гомеологичных группах хромосом. Белки клейковины представлены глиадинами, высокомолекулярными (HMW-GS) и низкомолекулярными (LMW-GS) глютенинами. Каждый класс запасных белков влияет на особенности теста, такие как сила, эластичность, консистенция и т.д., что, в свою очередь, сказывается на качестве хлеба.

Ряд исследователей установили корреляцию между присутствием определенных аллельных вариантов высокомолекулярных глютенинов HMW-GS и силой теста. Было показано, что кодируемый локусом Glu-D аллельный вариант HMW «5+10» повышает хлебопекарные качества, в то время как наличие варианта «2+12»приводит к снижению хлебопекарных свойств пшеницы [12].

Хлебопекарные свойства зерна – это способность муки из этого зерна давать определенные сорта хлеба высокого качества с наибольшим припеком при соответствующем режиме тестоведения и выпечки. Они характеризуются объемом хлеба, его формой, поверхностью корки, ее цветом, состоянием мякиша (эластичность, рыхлость) и его пористостью (тонкостенностью и равномерностью распределения), вкусом и запахом хлеба. По хлебопекарным качествам у пшеницы мягкой выделяют сорта сильной пшеницы (твердозерной), средней силы (филлеры) и слабой.

Наиболее важной составной частью зерновки пшеницы является белок.

Его содержание в зерне в среднем составляет: в мягкой озимой пшенице – 11,6%, в мягкой яровой – 12,7 %; в твердой – 12,5 % при колебаниях от 8,0 до 22,0 % [15].

Из всех типов белков запасающихся в зерновке пшеницы наибольшее значение имеет клейковинный белок, который предопределяет технологические свойства зерна и выработанной из него муки. Только при высоком количестве сырой клейковины (25 % и выше), и хорошем ее качестве можно получить пышный, вкусный и полезный хлеб. Уникальная способность клейковинных белков образовывать комплекс, называемый клейковиной, предопределила ведущую роль пшеницы среди всех зерновых культур.

Клейковина имеет большое, даже решающее, значение для качества хлеба и поэтому надо хорошо знать не только количество, но, в особенности, качество клейковины.

Для разных изделий требуется мука с определенной клейковиной.

Например, для бараночных изделий лучше иметь муку с крепкой клейковиной, для булочных изделий — с эластичной, средней, а для печения — со слабой клейковиной. В мировом производстве мягкой пшеницы относительное количество сильной составляет 15-20%, средней – 25-30% и слабой – 50-55% [26, 33].

Клейковинные белки пшеницы представлены двумя главными фракциями – глиадинами и глютенинами. Глютенин является основой клейковинного комплекса, а глиадин — ее склеивающим началом. Хлебопекарные качества муки зависят от количества и качества глютенинов, которые обеспечивают такие главные качества муки, как вязкость и набухаемость [46].

низкомолекулярных (LMW-GS) субъединиц. Эти глютениновые субъединицы полимеризуются межмолекулярными дисульфидными связями, которые играют главную роль в реологических свойствах теста пшеницы (упругость, растяжимость, эластичность, энергия теста, время его развития, стабилизации и начала разжижения).

Глютенины оказывают значительное влияние на хлебопекарные качества пшеницы, поскольку они определяют эластичность клейковины, при этом наибольшее значение имеет состав высокомолекулярной фракции этих белков.

Таким образом, композиция глютенина, в особенности высокомолекулярной фракции, определяет силу клейковины, ее эластичность и упругость [42, 45, 51, 64, 66].

Высокомолекулярные глютенины Glu-A1, Glu-B1 и Glu-D1 локализованы в длинном плече хромосом 1А, 1В и 1D соответственно. Каждый локус имеет гены, экспрессирующие по две субъединицы, различающиеся по размеру [50, Согласно электрофоретической подвижности в полиакриламидном геле 59].

(SDS-PAGE) их делят на субъединицы х-типа (83-88 kDa) и y-типа (67-74 kDa) [46].

высокомолекулярных глютенинов. Это различие в количестве субъединиц у разных сортов обусловлено специфичными молчащими генами локализоваными в длинном плече хромосом 1А. Так гены, отвечающие за синтез субъединицы 1Аy вовсе не экспрессируются во всех сортах пшеницы, а гены, отвечающие за синтез субъединицы 1Аx экспрессируются только в некоторых сортах.

Ранее исследователями была выявлена взаимосвязь между присутствием определенных субъединиц высокомолекулярных глютенинов и силой теста, измеряемой SDS-седиментацией объема теста [58]. Основываясь на этом, была высокомолекулярных глютенинов [59, 64].

Чем выше балл присваивался тому или иному аллелю, тем более существенное влияние он оказывал на хлебопекарные качества (табл. 3).

самые высокие хлебопекарные качества соответствуют (Соответственно наибольшей величине (4 балла – при наличии субъединиц HMW 5+10).

Таблица 3 - Бальная оценка хлебопекарных качеств, определяемых аллелями Glu-1 [68] Балл хлебопекарные свойства сорта пшеницы путем сложения трех аллелей экпресирующихся в его генотипе. Однако данная оценка говорит лишь о потенциальных качествах сорта, так как хлебопекарные свойства во многом так же зависят и от условий окружающей среды, агротехники, степенью повреждения зерна клопом-черепашкой и т.д.

экспрессирующему субъединицы 5+10. Поэтому основным белковым маркером для хлебопекарных качеств пшеницы является пара высокомолекулярных глютенинов – Dx-5+Dy-10 в локусе Glu-D1, тогда как альтернативная комбинация Dx2+Dy12 обычно связывают с низким качеством клейковины [51, 53, 64].

Улучшение качества клейковины, связанное с присутствием комбинации субъединиц высокомолекулярного глютенина 5+10, обусловлено, в основном, присутствием дополнительного остатка цистеина в Dx-5-субъединице по аминокислотами, способствует формированию большего числа дисульфидных связей, что способствует формированию полимеров с большим количеством разветвлений и количеством взаимосвязей.

аллоцитоплазматической пшеницы T.aestivum L.

Первоначальные исследования, связанные с использованием различных видов Aegilops и Triticum, были направлены на решение проблемы гибридной пшеницы, для создания генетической системы, включающей стерильные растения (материнские формы с ЦМС) и восстановители фертильности (отцовские формыопылители, несущие ген Rf). Из большого числа изученных видов — потенциальных доноров чужеродной цитоплазмы наиболее приемлемой оказалась цитоплазма T.timopheevi, у которой отсутствуют нежелательные побочные фенотипические признаки и свойства. Поэтому с этим типом цитоплазмы были связаны наиболее широкие исследования как в генетическом, так и в селекционном плане. Исследования были направлены на создание и изучение явления ЦМС и восстановителей фертильности [22, 23].

Параллельно исследования шли в двух направлениях: по созданию стерильных аналогов и по созданию восстановителей фертильности.

При создании восстановителей особую ценность представляли ранние беккроссы от скрещивания T.timopheevi с мягкими пшеницами (рис. 1.). В процессе создания стерильных аналогов при насыщающих скрещиваниях доноров чужеродной цитоплазмы культурным сортом пшеницы проводили отбор растений со стерильной пыльцой (ЦМС), а также растений, фертильных по пыльце. Таким образом, отбор проводили одновременно в двух противоположных направлениях — на стерильность (А) и на самофертильность (R). Отбор вели по признакам культурного сорта.

Рис.1. Обобщенная схема создания аллоцитоплазматических гибридов на Дальнейшая работа заключалась в получении гибридов F1 от скрещивания отдельных (индивидуальных) стерильных растений с цитоплазмой T.timopheevi с индивидуальными растениями-восстановителями фертильности с одновременной их проверкой на самофертильность при изоляции. Найденные индивидуальным методом изучения лучшие растения-восстановители фертильности впоследствии были размножены. Путем отбора наиболее продуктивных колосьев в течение ряда поколений с одновременным индивидуальным отбором по комплексу признаков были созданы константные самофертильные формы аллоцитоплазматической пшеницы, используемые для создания различных гибридных комбинаций [29].

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Объектом исследования являлись 36 генотипов аллоцитоплазматических гибридов яровой мягкой пшеницы из коллекции аграрного факультета РУДН.

Пятнадцать образцов имели цитоплазму Triticum timopheevi, из них тринадцать – гибриды с яровыми сортами пшеницы, восемь образцов – гибриды с озимыми сортами Заря и Московская 39.

Шестнадцать образцов имели цитоплазму Secale cereale L., из них шесть – гибриды с озимыми сортами.

На цитоплазме Aegilops ovatа была представлена одна линия АЦПГ. Четыре генотипа пщеницы - с цитоплазмой Triticum aestivum L. (получены в результате обратных скрещиваний).

Методика проведения полимеразной цепной реакции (ПЦР) В работе было проведено изучение коллекции 36 аллоцитоплазматических генотипов мягкой пшеницы на аллельное состояние высокомолекулярных глютенинов локуса Glu-D методом полимеразной цепной реакции.

Наличие локуса высокомолекулярного глютенина с комбинацией субъединиц 5+10 или 2+12 определялось с помощью прамеров: Dx5F, DxF, DxR.

Морфобиологическая идентификация генотипов АЦПГ Морфологические признаки: тип куста у развитых растений и их высота;

окраска листовой пластинки; степень облиственности растений; площадь флаговых и предфлаговых листьев; характер стебля (толщина и гибкость);

положение и форма колоса; размеры колоса (длина, ширина) и его плотность;

остистость (степень) и окраска колоса; форма зерновки, ее размеры и окраска;

структура эндосперма; форма бороздки.

Биологические особенности: быстрота роста от всходов до колошения и от колошения до полного созревания; фенология – продолжительность различных периодов вегетации; степень устойчивости к полеганию.

Экспериментальные посевы проводились на Полевой станции МСХА им К.А. Тимирязева в период с 2009г по 2012г в коллекционном питомнике АЦПГ.

Опыты включали ручные и сеялочные посевы (площадь сеялочных посевов 5 м2 с нормой высева 5.5 млн. зерновок на га).

Оценка хозяйственно-важных признаков включала: определение продуктивности колоса (растений) и других элементов продуктивности в соответствии с общепринятыми методиками.

Определение селекционных индексов:

«Полтавский индекс» — отношение массы зерна с колоса (г) к длине верхнего междоузлия (см);

«Мексиканский индекс» — отношение массы зерен с колоса (г) к высоте растения (см);

«Индекс продуктивности колоса» — отношение массы зерен с колоса (г) к массе колоса с семенами и мякиной (г);

«Индекс линейной плотности колоса» — отношение числа зерен с колоса к длине колоса (см);

«Индекс потенциальной продуктивности колоса» — отношение массы зерен с колоса (г) к массе колоса с семенами (г), умноженное на число зерен в колосе;

«Канадский индекс (удельный урожай колоса)» — отношение массы зерен с колоса (г) к длине колоса (см);

«Индекс микрораспределений» — отношение массы зерен c колоса (г) к массе мякины (половы) с колоса (г).

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

3.1. Морфобиологическое разнообразие генотипов АЦПГ в исходной гибридной популяции в условиях стрессовых воздействий засухи 2010 г в период формирования и налива зерновок пшеницы Расширение генетического разнообразия пшеницы, как известно, является весьма важной проблемой в селекции. Это обусловлено тем, что генетический потенциал современного генофонда культуры в значительной степени исчерпан, и возникает большая потребность в новых источниках и донорах ценных признаков и свойств. Актуальность данной проблемы обусловлена также изменившимися экологическими условиями в связи с активно идущими деградационными процессами на планете в целом. Возникает потребность в новых сортах с повышенной устойчивостью к стрессовым природным факторам, обладающих высокой продуктивностью, сочетающейся с хорошими технологическими свойствами зерна.

Известно, что генетические системы цитоплазмы играют значительную роль в детерминации свойства устойчивости растений и обусловливают уровень адаптивной реакции на меняющиеся условия среды. В то же время хромосомные и цитоплазматические (митохондрии и хлоропласты) системы представляют собой комплементарные генетические системы клетки, тесно взаимодействующие между собой и со средой обитания. Эти системы контролируют проявление многих хозяйственно ценных признаков в онтогенезе растений и служат потенциальными “вкладчиками” в их генотипическую изменчивость.

Гибриды АЦПГ сочетающие ядерный геном пшеницы T.aestivum L. с цитоплазмой некоторых видов дикорастущих злаков (эгилопсы), а также некоторых видов ржи и пшеницы, характеризуются значительным разнообразием по многим важным генотипическим свойствам, определяющим в итоге уровень адаптации, продуктивность и качество зерна специфическими эффектами взаимодействия ядра и чужеродной цитоплазмы. В качестве компонентов гибридизации наряду с сортами яровой пшеницы при создании коллекции использованы различные типы чужеродной цитоплазмы, донорами которых послужили T.timopheevi, Ae.ovata, Secale cereale.

Формирование одной из изучаемых популяции представлено на схеме (рис.), где указаны номера генотипов, гибридные поколения и места репродукции, а также год посева (в знаменателе). Указанные места репродукции МСХА и Снегири объясняют следующее: МСХА – контрольный питомник, Снег.

(Снегири) – конкурсное сортоиспытание.

Основой гибридной комбинации с цитоплазмой T.timopheevi SV является гибрид (F1) полученный в 2004г. (Гибрид АЦПГ T.timopheevi SV Сорт Заря). Его компоненты: материнская форма – аллоцитоплазматический гибрид, полученный ранее при скрещивании АЦПГ T.timopheevi (донор чужеродной цитоплазмы) с сортом SV66342 зарубежной селекции. В дальнейшем эта гибридная комбинация была взята в качестве материнской формы как донор чужеродной цитоплазмы при скрещивании с озимым сортом Заря [24].

Формирование данных популяций проходило в процессе отбора по комплексу морфо-биологических признаков с учетом устойчивости, продуктивности и с использованием генетических тестов (белковые маркеры). В последние годы на основе этих популяций были созданы линии (потомство одного колоса) с целью закрепления наиболее ценных свойств, отражающих продуктивность и устойчивость созданных генотипов (рис. 2).

Изучение различных по происхождению гибридных популяций АЦПГ отражает значительный уровень генотипического разнообразия по ряду морфологических характеристик, что определяет принадлежность генотипов к различным разновидностям (Прил.1. Табл.1.1). При изучении исходных гибридных популяций, имеющих общее происхождение, отмечено большое разнообразие по многим признакам.

Рис. 2. Общая схема формирования гибридной популяции яровых форм АЦПГна цитоплазме T.timopheevi с участием озимого сорта Заря В частности, по окраске зерновок, которая во многих случаях была красной с различными оттенками, что обусловлено генами, расположенными в трех локусах, в которых могут находиться аллели R1 и r1; R2 и r2; R3 и r3. Белые зерна могут быть только при генотипе r1r1r2r2r3r3. Это генетическое разнообразие в окраске зерновок отражает полигенный характер наследования этого признака с кумулятивным эффектом [1].

При изучении гибридных популяций в наших опытах отмечено также значительное разнообразие по степени остистости. В частности, большинство генотипов, имеют ярко выраженную остистость, при которой ости развиваются на наружной цветочной чешуе. У безостых форм наружные цветочные чешуи образуют остевидные зубцы или небольшие ости длиной 2.0–2.5 см. Встречаются формы с остевидными заострениями, которые расширены в нижней части. Среди исследуемых форм встречаются также формы без остевидных образований,- т.н.

собственно безостые формы.

В течение ряда лет изучение гибридных популяций проходило в процессе осуществления негативного многократного массового отбора. Как известно, при массовом отборе трудно контролировать наследственную обусловленность нужных признаков, так как по внешнему виду невозможно отличить мутации от флуктуаций (т.е. отличить положительные отклонения, имеющие наследственный характер, от положительных отклонений, полученных в результате благоприятных сочетаний внешних условий).

В то же время, как отмечает А.А. Жученко, в отношении «сохранения»

адаптивных комплексов массовый отбор (который был ориентирован в основном на средние значения признаков в популяции) по сравнению с индивидуальным отбором (XIX – XX века) был более экономным [9].

Селекция на качество зерна в дальнейшем обусловила необходимость использования индивидуального отбора с целью закрепления и усиления признаков, связанных с технологическими свойствами зерна, путем снижения уровня внутрипопуляционной гетерогенности и повышения однородности и константности этого свойства у создаваемых линий.

Одним из таких возможных решений является изучение коллекции ядерноцитоплазматических гибридов пшеницы, сочетающих геном пшеницы мягкой (Triticum aestivum L.) с чужеродной цитоплазмой различных видов эгилопса, пшеницы и ржи.

Гибридные комбинации аллоцитоплазматической пшеницы (АЦПГ), получены путем трансгеноза ядра пшеницы мягкой (Triticum aestivum L.) методом насыщающих скрещиваний (беккроссирование) в чужеродную цитоплазму, источниками которой послужили, как было отмечено ранее, Triticum timopheevi, Aegilops ovata, Secale cereale.

аллоцитоплазматических форм пшеницы мягкой появилась возможность практического использования внеядерной наследственности с целью повышения адаптивных возможностей у T.aestivum L., поскольку отдельные гибридные комбинации сочетают высокий уровень адаптации растений к стрессовым погодным факторам с оптимальными количественными и качественными характеристиками зерна.

Известно, что злаковые растения наиболее чувствительны в период трубкование – колошение (критический период), и сочетание таких факторов как недостаток воды и высокая температура ускоряют развитие растений и снижают количественные характеристики основных элементов продуктивности - (длину колоса, число колосков и зерновок в колосе, крупность зерновок).

В критический период образования и формирования репродуктивных органов засуха приводит к гибели семенных зачатков или к недоразвитию андроцея (тычиночного аппарата) и пустоколосице, а позже к образованию зерна, недостаточно заполненного питательными веществами.

Под действием сухих потоков воздуха прекращаются процессы синтеза в органах плодоношения, питательные вещества не поступают в зерно, и оно становится щуплым. После возобновления нормального водоснабжения восстановление синтетической направленности ферментов происходит не сразу, что, естественно, задерживает дальнейшие ростовые процессы.

Так испытание некоторых яровых форм АЦПГ в 2010 г на Полевой станции МСХА им. К.А.Тимирязева позволило осуществить сравнительную оценку их засухоустойчивости, поскольку метеорологические условия развития растений пшеницы в 2010г складывались, как известно, крайне неблагоприятно (рис.3).

Начиная с третьей декады июня и весь июль осадков практически не было, а температура самого теплого месяца – июля в 2010 г превышала среднемесячную температуру воздуха (+17 °С) от 6 до 10,5 °С и составляла в первой декаде – °С, во второй – 26,3 °С и в третьей – 27,9 °С.

Полевые исследования коллекции яровых форм аллоцитоплазматической пшеницы Triticum aestivum L. (АЦПГ) были проведены с целью идентификации и морфобиологических признаков. Теоретическим обоснованием этих исследований является известная в литературе информация о том, что перемещение ядра различных видов злаков, в том числе и пшеницы, в инородную цитоплазму может вызывать изменение количественных признаков и индуцировать полезные свойства растений. Так, известно, что цитоплазма Triticum timopheevi обуславливает увеличение крупности зерновок.

Рис.3. Особенности погодных условий, обусловливающие метеотропные риски Среди 36 форм АЦПГ изучаемой коллекции в 2010 г (прил. 2 Табл.2.1) большая часть (15 образцов) имела цитоплазму Triticum timopheevi. Из них образцов – гибриды с яровыми сортами пшеницы и 8 образцов – гибриды (F6 – F7) с озимыми сортами Заря и Московская 39. На цитоплазме Secale cereale были исследованы 16 форм АЦПГ, в том числе 6 из них – гибриды с озимыми сортами (F6 – F7). На цитоплазме Aegilops ovatа была представлена одна линия АЦПГ и четыре генотипа пщеницы с цитоплазмой Triticum aestivum L., которые получены в результате обратных скрещиваний.

В результате анализа элементов продуктивности (урожай 2010г) и ранжирования по величине этих показателей (рис.4) выделена группа наиболее продуктивных форм АЦПГ (табл.4).

Таблица 4 - Сравнительная характеристика элементов продуктивности яровых форм АЦПГ, выделенных по устойчивости к дефициту влаги в период формирования и налива зерна (2010г.) 2010г (линия, гибрид, Разновидность зерна с Длина Число Масса 12/ 10/10 Линия, T.aestivum Лютесценс 1,0±0.1 8,4±0.2 28,8±1,1 2/ 16/10 *Гибрид F7, Эритроспермум 20/10 *Гибрид F7, Эритроспермум 34/10 Линия, S. cerealе Ферругинеум 0,9±0.1 7,0±0.2 25,7±1.4 36/10 Линия, S. cerealе Лютесценс 0,9±0.1 8,4±0.3 28,5±1.4 Средний показатель по данной группе 1.0±0.1 8.4±0.2 30.3±1.3 *Гибрид с озимым сортом Заря среднее число зерновок в колосе – 29-38 шт., а масса 1000 зерновок 28-36г, что в условиях сильной засухи является неплохим показателем. В эту группу вошли восемь генотипов, в том числе на цитоплазме Triticum timopheevi (4 формы) и формы на цитоплазме Secale cerealе и одна форма с цитоплазмой пшеницы мягкой Triticum aestivum L.

При этом в отобранной группе отмечено также биологическое разнообразие генотипов по скороспелости и длине периода вегетации растений (табл. 5), поскольку в эту отобранную группу вошли четыре среднеспелых генотипа, два позднеспелых и два генотипа - раннеспелых, из которых один отнесен к сверхраннему (№ 28/10). Генетическое разнообразие форм АЦПГ имеет важное значение для создания морфобиотипов яровой пшеницы, отличающихся повышенным адаптационным потенциалом для их дальнейшего изучения в различных почвенно-климатических условиях.

Рис. 4. Ранжирование генотипов АЦПГ по количественным характеристикам основных элементов продуктивности растений в 2010г В эту группу вошли генотипы АЦПГ, различающиеся также по типу цитоплазмы (табл. 5). В частности, три генотипа (28/10, 34/10 и 36/10) с чужеродной цитоплазмой Secale cereale, четыре генотипа (12/10,2/10, 16/10 и 20/10) с цитоплазмой Triticum timopheevi, которые были получены путем скрещивания с озимым сортом Заря. Один генотип (10/10) имеет обычную пшеничную цитоплазму T.aestivum L. и получен в результате предшествующих обратных скрещиваний АЦПГ (T.тimopheevi) с яровым сортом Cosir, когда за материнскую форму был использован сорт пшеницы мягкой – Cosir.

Таблица 5 - Особенности роста и развития растений у наиболее продуктивных генотипов АЦПГ в условиях дефицита влаги и высоких температур в период формирования зерновок 2010г 2010г (цитоплазма, линия, начального роста периода развития * - Гибрид с озимым сортом Заря Озимый сорт Заря был использован при скрещивании с АЦПГ в качестве отцовской формы, поскольку он отличается крупнозерностью и устойчивостью к использования его для гибридизации с яровыми формами АЦПГ.

При скрещивании яровых сортов с озимыми, как известно, доминирует свойство яровости, поскольку способность пшеницы мягкой к репродуктивному развитию связана с функционированием генов Vrn (vernalizatin – ответ на яровизацию) и Ppd (photoperiodic – чувствительность к фотопериоду) [35]. У озимой пшеницы гены обеих систем развития находятся в рецессивном состоянии - vrn vrn ppd.ppd. Такой генотип вызывает обязательную потребность в яровизации (доминантные аллели Vrn), также они способны развиваться при коротком и при длинном световом дне (доминантные аллели Ppd) [35].

Морфобиологическая характеристика отобранных генотипов в условиях засухи 2010 года позволила осуществить их идентификацию с учетом особенностей их развития (табл. 6).

Таблица 6 - Морфологические особенности наиболее продуктивных генотипов яровых форм АЦПГ в условиях дефицита влаги и высоких температур в период формирования и налива зерна (IX-XI этапы органогенеза, 2010г.) № вар.

Среднерослые. Флаговый лист Продуктивный Светло-коричневая 28/ Среднерослые. Стебель толстый. Продуктивный Коричневая, удлиненной формы 12/ Высокорослые. Флаговый лист Продуктивный Темно-коричневая, крупная.

10/ широкий, с сероватым оттенком.

Высокорослые. Флаговый лист Вертикально Темно-коричневая 2/ Среднерослые. Флаговый лист Продуктивный Темно-коричневая 16/ Среднерослые. Флаговый лист Продуктивный Светло-коричневая 20/ Среднерослые. Флаговый лист – Продуктивный Коричневая, удлиненной формы 34/ Среднерослые. Флаговый лист – Продуктивный Коричневая, удлиненной формы, 36/ Оказалось, что в группе наиболее продуктивных и устойчивых генотипов три генотипа 12/10, 2/10, 20/10 относятся к позднеспелым формам, полное колошение которых отмечено в период с 23 по 25 июня – продолжительность периода всходы-колошение 42-45 дней. Кроме того, три генотипа (10/10, 16/10, 36/10) относятся к среднеспелым (дата колошения 19.06), продолжительность периода всходы-колошение 38-40 дней, а один генотип (28/10) относится к группе скороспелых – колошение 17 июня.

В соответствии с закономерностями онтогенеза растений в оптимальных условиях выращивания, т.е. в урожайнее годы, темпы прохождения отдельных формирования структурных элементов продуктивности. Так, на IV этапе органогенеза происходит формирование колосковых бугорков (рис. 5), поэтому замедление развития на этом этапе приводит к образованию большего числа колосков в колосе, к увеличению колоса и его продуктивности.

Рис.5. Формирование элементов продуктивности пшеницы на различных фазах и этапах органогенеза (по Куперман, Семенов, 2000) [32].

Соответственно, замедление темпов органогенеза в фазу образования и налива зерна (IX – XI этапы) приводит к увеличению продолжительности этой фазы и способствует формированию более крупного зерна [35].

Известно, что засуха вызывает недостаточную обеспеченность сельскохозяйственных растений водой и, как следствие, ухудшение качества зерна, снижение урожаев и даже полную гибель посевов. В засушливые годы накопление сухих веществ заканчивается значительно раньше наступления полной спелости. Количество белковых веществ в зерне возрастает до середины восковой спелости, затем изменяется незначительно, а белок и крахмал – основные вещества, определяющие технологические свойства зерна, формируются на ранних стадиях созревания зерна, и по мере созревания содержание их возрастает постепенно, тогда как свойства изменяются в значительной степени.

Известно также, что зерно под действием засухи становится щуплым, легковесным, и чем раньше оно захвачено засухой, тем значительнее понижается его масса. В нем ускоряется синтез высокомолекулярных запасных веществ, особенно белков, снижается содержание растворимых соединений азота, аминокислот, продуктов белкового синтеза, уменьшается активность протеолитических ферментов, аминолитического комплекса. Снижается поступление в зерно углеводов. Относительное содержание белка в зерне возрастает, происходит необратимая коагуляция высокомолекулярных полимеров с коллоидными свойствами.

Резко ускоряющиеся под влиянием высокой температуры и быстрого обезвоживания при засухе биохимические процессы ведут к тому, что наблюдается недостаточное поступление углеводов в зерно, однако абсолютное количество белковых веществ и клейковины в нем остается на нормальном уровне. В результате процентное содержание клейковины, как и общего азота, в суховейном зерне по сравнению с нормальным возрастает.

Щуплым называется зерно мелкое, часто морщинистое, с ограниченным запасом питательных веществ, иногда состоящее почти из. одной оболочечной ткани. Между выполненными и щуплыми зернами находится ряд промежуточных форм зерна различных размеров с неодинаковой степенью выполненности.

Морщинистость щуплой зерновки является результатом несоответствия в развитии и созревании внешних оболочек и эндосперма. В то время как эндосперм засыхает в ранней стадии своего развития, плодовая оболочка продолжает некоторое время развиваться дальше.

Особое внимание в работе было уделено изучению структуры клеток эндосперма стекловидного зерна генотипов АЦПГ яровой мягкой пшеницы, а также особенностям микроструктурных изменений зерновок в условиях засухи 2010г. Полученные результаты были включены в систему признаков, на основании которых проводили отбор генотипов, с использованием результатов исследования микроструктуры зерновок растений, выращенных в условиях засухи. Изучение микроструктуры зерновок проводили на сканирующем электронном микроскопе JSM-6490 на поперечных срезах зерновок (средняя часть зерновок).

Степень щуплости зерновки, как известно, зависит от стадии налива (молочная и восковая спелость) и от условий, в которых происходит созревания зерна.

В основе этих явлений лежат особенности морфобиологических процессов, которые носят дискретный характер, поскольку осуществляются на различных этапах органогенеза (рис. 5). Об уровне интенсивности налива зерновок свидетельствуют биологические особенности генотипов, которые входят в выделенную группу. В частности, большая часть изучаемых генотипов относится к средне и позднеспелым типам, для которых характерно наличие широкой листовой пластинки с темно-зеленой окраской.

Морфобиологические особенности изучаемых генотипов АЦПГ нашли отражение в процессах роста и формирования зерновок, происходящих на Х этапе органогенеза, который характеризуется интенсивными органообразовательными процессами и ростом зерновок. С переходом к Х этапу в зародыше начинают активизироваться физиологические процессы. Рост плодов зависит в значительной степени не только от водообеспеченности растений, но также и от уровня обеспеченности листьев и стебля на предыдущих этапах органогенеза. Далее наступает этап накопления питательных веществ в семени – XI этап органогенеза, который соответствует фазе «налива семян» и «молочной спелости». На этом этапе завершается процесс морфологической дифференциации зародыша, окончательно оформляется конус нарастания почечки, закладывается в соответствии с наследственными признаками вида определенное число зачаточных листьев и зародышевых первичных корешков, завершается формирование щитка. На этом этапе в нашем опыте засуха привела к снижению степени выполненности зерновок, поскольку в этот период начинается переход от полужидкой консистенции запасных веществ (молочная спелость) к более плотной, тестообразной [20]. Резкое ухудшение притока питательных веществ к созревающему зерну в молочной стадии привело к уменьшению его в размерах не только в поперечном сечении, но и в длину.

Сравнительное изучение микроструктуры поперечных срезов зерновок генотипов АЦПГ в условиях жесткой засухи показало значительное разнообразие их реакции на стрессовые воздействия дефицита влаги, что отразилось на конфигурации зерновок и целости слоев эндосперма и было учтено в системе признаков при отборе на устойчивость к засухе.

3.2.Сравнительная характеристика линий и гибридов АЦПГ по элементам продуктивности в условиях засухи 2010 года и в условиях Урожай является производной величиной потенциальной продуктивности растений и их устойчивости к неблагоприятным условиям среды. Однако между этими свойствами проявляются обратные связи, при которых у генотипов, наиболее устойчивых к стрессовым факторам, как правило, продуктивность при выращивании их в благоприятных условиях ниже. Так, в условиях засухи высокопродуктивные сорта яровой пшеницы уступают по урожаю зерна наиболее засухоустойчивым высокостебельным сортам степного экотипа, поскольку влияние метеорологических условий наиболее резко сказывается на новых высокопродуктивных сортах и гибридах, имеющих более высокий уровень обмена веществ и энергии. В то же время высокая потенциальная продуктивность сортов интенсивного типа в годы с нормальной влагообеспеченностью позволяет в значительной степени компенсировать потери этих сортов в засушливые годы.

Уровень устойчивости растений к стрессовым факторам контролируется, как известно, генетической системой и проявляется лишь в условиях воздействия этих факторов. Создание новых сортов, сочетающих высокую потенциальную продуктивность (величина и качество урожая) с устойчивостью к наиболее распространенным абиотическим и биотическим стрессовым факторам, в конкретных почвенно-климатических условиях, является наиболее важной и актуальной задачей.