vir-nwТруды по прикладной ботанике, генетике и селекцииProceedings on applied botany, genetics and breeding2227-88342619-0982N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources10.30901/2227-8834-2022-3-17-26vir-nw-1337Research ArticleИЗУЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ РАСТЕНИЙSTUDYING AND UTILIZATION OF PLANT GENETIC RESOURCESГенотипическая вариабельность функционирования фотосистемы II листьев пленчатого и голозерного овсаGenotypic variability in the functioning of photosystem II in leaves of covered and naked oatshttps://orcid.org/0000-0002-3125-3604ЛисицынЕ. М.LisitsynE. M.

Лисицын Евгений Михайлович - доктор биологических наук, заведующий отделом.

610007, Киров, ул. Ленина, 166а.

Eugeny M. Lisitsyn - Dr. Sci. (Biology), Head of a Department, Federal Agricultural Research Center of the North-East named N.V. Rudnitsky.

166a Lenina St., Kirov 610007.

edaphic@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3900-5258ЧураковаС. А.ChurakovaS. A.

Чуракова Светлана Алексеевна - младший научный сотрудник.

610007, Киров, ул. Ленина, 166а.

Svetlana A. Churakova - Associate Researcher, Federal Agricultural Research Center of the North-East named N.V. Rudnitsky.

166a Lenina St., Kirov 610007.

sveta.1917@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3491-499XБаталоваГ. А.BatalovaG. A.

Баталова Галина Аркадьевна - доктор сельскохозяйственных наук, академик РАН, заведующая отделом.

610007, Киров, ул. Ленина, 166а.

Galina A. Batalova - Dr. Sci. (Agriculture), Academician of the RAS, Head of a Department, Federal Agricultural Research Center of the North-East named N.V. Rudnitsky.

166a Lenina St., Kirov 610007.

g.batalova@mail.ruФедеральный аграрный научный центр Северо-Востока имени Н.В. РудницкогоРоссияFederal Agricultural Research Center of the North-East named N.V. RudnitskyRussian Federation20220210202218331726Copyright © Лисицын Е.М., Чуракова С.А., Баталова Г.А., 20222022Лисицын Е.М., Чуракова С.А., Баталова Г.А.Lisitsyn E.M., Churakova S.A., Batalova G.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://elpub.vir.nw.ru/jour/article/view/1337Актуальность

Актуальность. Оценка первичных фотосинтетических процессов в фотосистеме II (PSII) листьев двух подвидов посевного овса подтверждает имеющиеся доказательства их генетической дифференциации. Сравнения голозерного и пленчатого овсов по эффективности передачи и сохранения энергии внутри PSII ранее практически не проводилось, но может оказать влияние на технологию выращивания этих подвидов.

Материалы и методы

Материалы и методы. На двухнедельных растениях 16 генотипов пленчатого и 17 генотипов голозерного овса оценивали параметры быстрой флуоресценции хлорофилла α с помощью флуориметра Fluor Pen FP 110/S. Данные о развитии элементов структуры продуктивности получены в ходе полевых исследований 2021 г. Данные обработаны статистически методами описательной статистики, корреляционного (MO Excel 2013) и кластерного (StatSoft Statistica 10, метод Ward'a) анализов; значимость различий между генотипами оценивали по критерию Дункана при p ≤ 0,05.

Результаты

Результаты. Абсолютные величины потоков адсорбированной (ABS/RC) и захваченной (TRo/RC) световой энергии были статистически значимо выше у голозерных форм (на 7,8 и 7,4% соответственно). У голозерных форм эффективность передачи электронов от пластохинона QB к PSI превышала таковую у пленчатых форм на 8,2%. Во всем наборе образцов выявлена статистически значимая взаимосвязь урожайности зерна с перфоманс-индексом PIABS (r = 0,403) и показателями захвата световой энергии (r = -0,477) и ее утилизации в реакционных центрах (r = -0,452). Перфоманс-индексы (PIABS и PIABS_total) коррелировали с коэффициентом хозяйственной эффективности урожая (соответственно 0,571 и 0,418) и были значимо выше в группе пленчатых овсов (на 28,2 и 21,9% соответственно).

Заключение

Заключение. Показаны значимые различия пленчатых и голозерных форм овса посевного по структурно-функциональным параметрам работы PSII листьев. Результаты кластерного анализа параметров работы фотосистемы II листьев выявили тенденцию группирования исследованных генотипов в соответствии с типом пленчатости зерна.

Background

Background. Comparing the characteristics of primary photosynthetic processes in photosystem II (PSII) in the leaves of two oat (Avena sativa L.) subspecies will help to understand their genetic differentiation. Comparisons between naked and covered oats to assess the efficiency of energy flows within PSII and its relation to useful agronomic traits have not been previously made but can have an effect on their cultivation practices.

Materials and methods

Materials and methods. Two-week-old plants of 16 covered and 17 naked oat genotypes were assessed for rapid chlorophyll α fluorescence using a Fluor Pen FP 110/S fluorometer. Data on the yield structure were obtained in 2021. The data were processed statistically using descriptive statistics, correlation (Excel 2013) and cluster (StatSoft Statistica 10; Ward's method) analyses.

Results

Results. The groups of oat genotypes differed significantly in the absolute magnitude of adsorbed (ABS/RC) and trapped (TRo/RC) light energy flows, which were higher in naked oats (by 7.8 and 7.4%, respectively). The efficiency of electron transfer from plastoquinone QB to PSI in naked oats exceeded that in covered oats by 8.2%. For the whole set of genotypes, a statistically significant correlation of grain yield with the PIABS performance index (r = 0.403), light energy adsorption (r = -0.477) and its utilization at the reaction centers of PSII (r = -0.452) was manifested. The performance indices (PIABS and PIABS_total) positively correlated with part of grain in total biomass (0.571 and 0.418, respectively) and were higher in covered oats (by 28.2 and 21.9%, respectively).

Conclusion

Conclusion. The existence of significant differences was shown between covered and naked oats according to six of the nine evaluated structural and functional parameters of the PSII leaf functioning. The results of the cluster analysis demonstrated the tendency to the grouping of genotypes by the presence/absence of grain hullness.

хлорофилл αпластохинонфлуоресценцияреакционный центрпоток световой энергииэлектронный транспортперфоманс-индексchlorophyll αplastoquinonefluorescencereaction centerlight energy fluxelectron transportperformance indexРабота выполнена при поддержке Минобрнауки РФ в рамках Государственного задания ФГБНУ «Федеральный аграрный научный центр Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого» (тема № 0767-2019-0093). Авторы благодарят рецензентов за их вклад в экспертную оценку этой работы.The research was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation in the framework of the State Task assigned to the Federal Agricultural Research Center of the North-East named N.V. Rudnitsky (theme No. 0767-2019-0093). The authors thank the reviewers for their contribution to the peer review of this work.ReferencesАбугалиева А.И., Лоскутов И.Г., Савин Т.В., Чудинов В.А. Изучение голозерного овса из коллекции ВИР на качественные показатели в условиях Казахстана. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2021;182(1):9-21. DOI: 10.30901/2227-8834-2021-1-9-21Abugalieva A.I., Loskutov I.G., Savin T.V., Chudinov V.A. Evaluation of naked oat accessions from the VIR collection for their qualitative characteristics in Kazakhstan. Proceedings on Applied Botany, Genetics and Breeding. 2021;182(1):9-21. [in Russian]Czyczyto-Mysza I., Tyrka M., Marcinska I., Skrzypek E., Karbarz M., Dziurka M. et al. Quantitative trait loci for leaf chlorophyll fluorescence parameters, chlorophyll and carotenoid contents in relation to biomass and yield in bread wheat and their chromosome deletion bin assignments. Molecular Breeding. 2013;32(1):189-210. DOI: 10.1007/s11032-013-9862-8Czyczyto-Mysza I., Tyrka M., Marcinska I., Skrzypek E., Karbarz M., Dziurka M. et al. Quantitative trait loci for leaf chlorophyll fluorescence parameters, chlorophyll and carotenoid contents in relation to biomass and yield in bread wheat and their chromosome deletion bin assignments. Molecular Breeding. 2013;32(1):189-210. DOI: 10.1007/s11032-013-9862-8Герасимов С.А., Полонскии В.И., Сумина А.В., Сурин Н.А., Липшин А.Г., Зюте С.А. Влияние генотипа и условии выращивания овса на содержание биологически активных компонентов в зерне. Химия растительного сырья. 2020;(2):65-71. DOI: 10.14258/jcprm.2020025515Gerasimov S.A., Polonskiy V.I., Sumina A.V., Surin N.A., Lipshin A.G., Zyute S.A. The influence of genotype and cultivation conditions of oats in the contents of biologically active components in grain. Chemistry of Plant Raw Material. 2020;(2):65-71. [in Russian]. DOI: 10.14258/jcprm.2020025515Hackett R. A comparison of husked and naked oats under Irish conditions. Irish Journal of Agricultural and Food Research. 2018;57(1):1-8. DOI: 10.1515/ijafr-2018-0001Hackett R. A comparison of husked and naked oats under Irish conditions. Irish Journal of Agricultural and Food Research. 2018;57(1):1-8. DOI: 10.1515/ijafr-2018-0001Kalaji H.M., Jajoo A., Oukarroum A. Brestic M., Zivcak M., Samborska I.A. et al. Chlorophyll a fluorescence as a tool to monitor physiological status of plants under abiotic stress conditions. Acta Physiologiae Plantarum. 2016;38:102. DOI: 10.1007/s11738-016-2113-yKalaji H.M., Jajoo A., Oukarroum A. Brestic M., Zivcak M., Sam-borska I.A. et al. Chlorophyll a fluorescence as a tool to monitor physiological status of plants under abiotic stress conditions. Acta Physiologiae Plantarum. 2016;38:102. DOI: 10.1007/s11738-016-2113-yKirkkari A.-M., Peltonen-Sainio P., Lehtinen P. Dehulling capacity and storability of naked oat. Agricultural and Food Science. 2004;13(1-2):198-211. DOI: 10.2137/1239099041837969Kirkkari A.-M., Peltonen-Sainio P., Lehtinen P. Dehulling capacity and storability of naked oat. Agricultural and Food Science. 2004;13(1-2):198-211. DOI: 10.2137/1239099041837969Loskutov I.G., Shelenga T.V., Konarev A.V., Shavarda A.L., Blinova E.V., Dzubenko N.I. The metabolomic approach to the comparative analysis of wild and cultivated species of oats (Avena L.). Russian Journal of Genetics: Applied Research. 2017;7(5):501-508. DOI: 10.1134/s2079059717050136Loskutov I.G., Shelenga T.V., Konarev A.V., Shavarda A.L., Blinova E.V., Dzubenko N.I. The metabolomic approach to the comparative analysis of wild and cultivated species of oats (Avena L.). Russian Journal of Genetics: Applied Research. 2017;7(5):501-508. DOI: 10.1134/s2079059717050136Лоскутов И.Г., Шеленга Т.В., Конарев А.В., Варгач Ю.И., Пороховинова Е.А., Блинова Е.В. и др. Новый подход к структурированию сортового разнообразия голозерных и пленчатых форм культурного овса (Avena sativa L.). Экологическая генетика. 2020;18(1):27-41). DOI: 10.17816/ecogen12977Loskutov I.G., Shelenga T.V., Konarev A.V., Vargach Yu.I., Porokhovinova E.A., Blinova E.V. et al. Modern approach of structuring the variety diversity of the naked and covered forms of cultural oats (Avena sativa L.). Ecological Genetics. 2020;18(1):27-41. [in Russian] DOI: 10.17816/ecogen12977Marcinska I., Czyczylo-Mysza I., Skrzypek E., Grzesiak M.T., Popielarska-Konieczna M., Warchol M. et al. Application of photochemical parameters and several indices based on phenotypical traits to assess intraspecific variation of oat (Avena sativa L.) tolerance to drought. Acta Physiologiae Plantarum. 2017;39(7):153. DOI: 10.1007/s11738-017-2453-2Marcinska I., Czyczylo-Mysza I., Skrzypek E., Grzesiak M.T., Popielarska-Konieczna M., Warchol M. et al. Application of photochemical parameters and several indices based on phenotypical traits to assess intraspecific variation of oat (Avena sativa L.) tolerance to drought. Acta Physiologiae Plantarum. 2017;39(7):153. DOI: 10.1007/s11738-017-2453-2Noga A., Warchol M., Czyczylo-Mysza I., Marcinska I., Dziurka K., Warzecha T. et al. Chlorophyll a fluorescence parameters in the evaluation of oat DH lines yield components. Cereal Research Communications. 2017;45(4):665-674. DOI: 10.1556/0806.45.2017.032Noga A., Warchol M., Czyczylo-Mysza I., Marcinska I., Dziurka K., Warzecha T. et al. Chlorophyll a fluorescence parameters in the evaluation of oat DH lines yield components. Cereal Research Communications. 2017;45(4):665-674. DOI: 10.1556/0806.45.2017.032Родионова Н.А., Солдатов В.Н., Мережко В.Е., Ярош Н.П., Кобылянский В.Д. Культурная флора. Т. 2, ч. 3. Овес. Москва: Колос; 1994.Rodionova N.A., Soldatov V.N., Merezhko V.E., Yarosh N.P., Kobylyansky V.D. Flora of cultivated plants. Vol. 2 (Pt 3). Oat (Kulturnaya flora. T. 2, ch. 3. Oves). Moscow: Kolos; 1994. [in Russian]Sofronova V.E., Chepalov V.A., Dymova O.V., Golovko T.K. Functional condition of photosystem II in leaves of spring oats during autumnal decrease in temperature. Russian Journal of Plant Physiology. 2020;67(4):661-670. DOI: 10.1134/S1021443720030206Sofronova V.E., Chepalov V.A., Dymova O.V., Golovko T.K. Functional condition of photosystem II in leaves of spring oats during autumnal decrease in temperature. Russian Journal of Plant Physiology. 2020;67(4):661-670. DOI: 10.1134/S1021443720030206Song X., Zhou G., Ma B.L., Wu W., Ahmad I., Zhu G. et al. Nitrogen application improved photosynthetic productivity, chlorophyll fluorescence, yield and yield components of two oat genotypes under saline conditions. Agronomy. 2019;9(3):115. DOI: 10.3390/agronomy9030115Song X., Zhou G., Ma B.L., Wu W., Ahmad I., Zhu G. et al. Nitrogen application improved photosynthetic productivity, chlorophyll fluorescence, yield and yield components of two oat genotypes under saline conditions. Agronomy. 2019;9(3):115. DOI: 10.3390/agronomy9030115Strasser R.J., Tsimilli-Michael M., Srivastava A. Analysis of the chlorophyll a fluorescence transient. In: G.C. Papageorgiou, Govindjee (eds). Chlorophyll a Fluorescence. Advances in Photosynthesis and Respiration. Vol. 19. Dordrecht: Springer; 2004. p.321-362. DOI: 10.1007/978-1-4020-3218-9_12Strasser R.J., Tsimilli-Michael M., Srivastava A. Analysis of the chlorophyll a fluorescence transient. In: G.C. Papageorgiou, Govindjee (eds). Chlorophyll a Fluorescence. Advances in Photosynthesis and Respiration. Vol. 19. Dordrecht: Springer; 2004. p.321-362. DOI: 10.1007/978-1-4020-3218-9_12Tobiasz-Salach R., Kalaji H.M., Mastalerczuk G., Bąba W., Bobrecka-Jamro D., Noras K. Can photosynthetic performance of oat (Avena sativa L.) plants be used as bioindicator for their proper growth conditions? Chiang Mai Journal of Science. 2019;46(5):880-895. Available from: http://www.thaiscience.info/Journals/Article/CMJS/10990682.pdf [accessed Feb. 06, 2022].Tobiasz-Salach R., Kalaji H.M., Mastalerczuk G., Bąba W., Bobrecka-Jamro D., Noras K. Can photosynthetic performance of oat (Avena sativa L.) plants be used as bioindicator for their proper growth conditions? Chiang Mai Journal of Science. 2019;46(5):880-895. Available from: http://www.thaiscience.info/Journals/Article/CMJS/10990682.pdf [accessed Feb. 06, 2022].

The authors declare that there are no conflicts of interest present.