vir-nwТруды по прикладной ботанике, генетике и селекцииProceedings on applied botany, genetics and breeding2227-88342619-0982N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources10.30901/2227-8834-2023-2-9-18vir-nw-1575Research ArticleИЗУЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГЕНЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ РАСТЕНИЙSTUDYING AND UTILIZATION OF PLANT GENETIC RESOURCESВлияние токсического действия цинка и минерального голодания на рост и развитие гречихи посевной в культуре in vitroInfluence of the toxic effect of zinc and mineral starvation on the growth and development of buckwheat plantlets in vitrohttps://orcid.org/0000-0002-7440-5129БороваяС. А.BorovayaS. А.

Светлана Александровна Боровая, аспирант, научный сотрудник

692539 Россия, Уссурийск, пос. Тимирязевский, ул. Воложенина, 30

Svetlana А. Borovaya, Postgraduate Student, Researcher

30 Volozhenina St., Timiryazevsky Settlem., Ussuriysk 692539, Russia

borovayasveta@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2390-3486КлыковА. Г.KlykovA. G.

Алексей Григорьевич Клыков,  доктор биологических наук, академик РАН, заведующий отделом

692539 Россия, Уссурийск, пос. Тимирязевский, ул. Воложенина, 30

Aleksey G. Klykov, Dr. Sci. (Biology), Full Member of the RAS, Head of a Department

30 Volozhenina St., Timiryazevsky Settlem., Ussuriysk 692539, Russia

alex.klykov@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7880-252XБарсуковаЕ. Н.BarsukovaE. N.

Елена Николаевна Барсукова, кандидат сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник, и. о. заведующего лабораторией

692539 Россия, Уссурийск, пос. Тимирязевский, ул. Воложенина, 30

Elena N. Barsukova, Cand. Sci. (Agriculture), Leading Researcher, Acting Head of a Laboratory

30 Volozhenina St., Timiryazevsky Settlem., Ussuriysk 692539, Russia

enbar9@yandex.ruФедеральный научный центр агробиотехнологий Дальнего Востока им. А. К. ЧайкиРоссияFederal Scientific Center of Agricultural Biotechnology of the Far East named after A. K. ChaikaRussian Federation2023230720231842918Copyright © Боровая С.А., Клыков А.Г., Барсукова Е.Н., 20232023Боровая С.А., Клыков А.Г., Барсукова Е.Н.Borovaya S.А., Klykov A.G., Barsukova E.N.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/1575   Актуальность

   Актуальность. Гречиха посевная – крупяная культура, обладающая высоким потенциалом генетического улучшения селекционного материала, адаптированного к абиотическим стрессам. На сегодняшний день отсутствуют сообщения о получении in vitro устойчивых к высоким дозам цинка и недостатку макроэлементов регенерантов гречихи, в том числе с комплексной устойчивостью к данным стрессорам.

   Материалы и методы

   Материалы и методы. На питательных средах in vitro с добавлением селективного фактора ZnSO4 × 7 H2O в концентрации 808–1313 мг/л культивировали асептические одноузловые черенки полученных регенерантов гречихи посевной сортов ‘Дикуль’ и ‘Изумруд’. Для моделирования минерального голода выжившие растения микроклонировали на питательные среды без макросолей. Оценку морфобиологических признаков и адаптационной реакции микрорастений проводили по следующим показателям: высота растения, число междоузлий, число листьев, длина листовой пласинки, наличие корней и окраска листьев.

   Результаты

   Результаты. Индуцирование прямой регенерации исследуемых сортов гречихи на селективных средах с цинком и минеральным голоданием in vitro показало высокую толерантность отобранных растений к стрессам. По результатам проведенных исследований были выделены устойчивые линии сортов ‘Изумруд’ и ‘Дикуль’. При этом наибольшая стрессоустойчивость выявлена у сорта ‘Дикуль’. Полученные в селективных условиях пробирочные регенеранты гречихи являются перспективным материалом для дальнейшей селекции, а также для исследования возможности их использования в качестве фиторемедиаторов.

   Background

   Background. Common buckwheat is a cereal crop with high potential for genetic improvement in terms of developing breeding material resistant to abiotic stressors. To date, there have been no reports on in vitro production of buckwheat plantlets resistant to high doses of zinc and a lack of macronutrients.

   Materials and methods

   Materials and methods. Aseptic single-node cuttings from the obtained regenerated plants of common buckwheat cultivars ‘Dikul’ and ‘Izumrud’ were cultivated in vitro on nutrient media with the addition of the selection factor ZnSO4 × 7 H2O in a concentration of 808–1313 mg/L. Survived plants were microcloned on nutrient media without macrosalts for mineral starvation modeling. Morphological traits and general nonspecific adaptation reactions of the plantlets were evaluated for the following characteristics: plant height, the number of internodes, the number of leaves, leaf blade length, the presence of roots, and leaf color.

   Results

   Results. According to the results of the 33-day cultivation of test-tube microcuttings on media with zinc toxicity, 33–91 % of lines resistant to ionic stress were selected in different variants. The secondary testing of the plantlets under conditions of mineral starvation in vitro turned out to be the strongest inhibitory factor for buckwheat. At the same time, high resistance to stress was observed in cv. ‘Dikul’. Cultivation of the obtained buckwheat lines on the MS nutrient medium for two passages showed a sufficiently high level of regeneration in the studied genotypes. The test-tube buckwheat plantlets obtained under selective conditions are promising material for further breeding as well as for studying the possibility of their use as phytoremediators.

Fagopyrum esculentum Moenchселективные средыцинкморфобиологические показателистрессоустойчивостьFagopyrum esculentum Moenchselective mediamorphological characteristicsstress resistanceРабота выполнена в рамках государственного задания согласно тематическому плану НИР по теме № FNGW-2022-0007 «Оценить генетическое, морфофизиологическое и биоценотическое разнообразие основных сельскохозяйственных культур, их иммунологические механизмы к вредителям и патогенам, а также факторы вирулентности». Авторы благодарят рецензентов за их вклад в экспертную оценку этой работыThe research was performed within the framework of the state task according to Theme No. FNGW-2022- 0007 “To evaluate the genetic, morphophysiological and biocenotic diversity of main agricultural crops, their immunological mechanisms against pests and pathogens, and virulence factors”. The authors thank the reviewers for their contribution to the peer review of this workReferencesБарсукова Е.Н., Клыков А.Г., Чайкина Е.Л. Использование метода культуры ткани для создания новых форм Fagopyrum esculentum Moench. Российская сельскохозяйственная наука. 2019;(5):3-6. DOI: 10.31857/S2500-2627201953-6Barsukova E.N., Klykov A.G., Chikina E.L. Usage of the tissue culture method for the development of new forms of Fagopyrum esculentum Moench. Russian Agricultural Science. 2019;(5):3-6. [in Russian] DOI: 10.31857/S2500-2627201953-6Барсукова Е.Н., Клыков А.Г., Фисенко П.В., Боровая С.А., Чайкина Е.Л. Использование методов биотехнологии в селекции гречихи на Дальнем Востоке. Вестник Дальневосточного отделения Российской академии наук. 2020;(4):58-66. DOI: 10.37102/08697698.2020.212.4.010Barsukova E.N., Klykov A.G., Fisenko P.V., Borovaya S.A., Chaykina E.L. Usage of the method of biotechnology in the selection of buckwheat plants in the Far East. Vestnik of Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences. 2020;(4):58-66. [in Russian] DOI: 10.37102/08697698.2020.212.4.010Chrungoo N.K., Dohtdong L., Chettry U. Chapter ten – Phenotypic plasticity in buckwheat. In: M. Zhou, I. Kreft, S. H. Woo, N. Chrungoo, G. Wieslander (eds). Molecular Breeding and Nutritional Aspects of Buckwheat. Cambridge, MA: Academic Press; 2016. p.137-149. DOI: 10.1016/B978-0-12-803692-1.00010-9Chrungoo N.K., Dohtdong L., Chettry U. Chapter ten – Phenotypic plasticity in buckwheat. In: M. Zhou, I. Kreft, S. H. Woo, N. Chrungoo, G. Wieslander (eds). Molecular Breeding and Nutritional Aspects of Buckwheat. Cambridge, MA: Academic Press; 2016. p.137-149. DOI: 10.1016/B978-0-12-803692-1.00010-9Дунаева С.Е., Пендинен Г.И., Антонова О.Ю., Швачко Н.А., Ухатова Ю.В., Шувалова Л.Е., Волкова Н.Н., Гавриленко Т.А. Сохранение вегетативно размножаемых культур в in vitro и криоколлекциях: методические указания / под ред. Т. А. Гавриленко. 2-е изд. Санкт- Петербург: ВИР; 2017.Dunaeva S.E., Pendinen G.I., Antonova O.Yu., Shvachko N.A., Ukhatova Yu.V., Shuvalova L.E., Volkova N.N., Gavrilenko T.A. Preservation of vegetatively propagated crops in vitro and cryo collections: methodological guidelines (Sokhraneniye vegetativno razmnozhayemykh kultur v in vitro i krio kollektsiyakh: metodicheskiye ukazaniya). Gavrilenko T.A. (ed.). 2<sup>nd</sup> ed. St. Petersburg: VIR; 2017. [in Russian]Фесенко А.Н., Фесенко И.Н. Развитие селекции и производства гречихи в России за 100 лет. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2019;180(1):113-117. DOI: 10.30901/2227-8834-2019-1-113-117Fesenko A.N., Fesenko I.N. Buckwheat breeding and production in Russia during the past 100 years. Proceedings on Applied Botany, Genetics and Breeding. 2019;180(1):113-117. [in Russian] DOI: 10.30901/2227-8834-2019-1-113-117Фесенко Н.В. Селекция и семеноводство гречихи. Москва: Колос; 1983Fesenko N.V. Breeding and seed production of buckwheat (Selektsiya i semenovodstvo grechikhi). Moscow: Kolos; 1983. [in Russian].Gharam M.J., Heavener D.L., Nickell C.D., Widholm J.M. Response of soybean genotypes to boron, zinc and manganese deficiency in tissue culture. Plant and Soil. 1993;150(2):307-310.Gharam M.J., Heavener D.L., Nickell C.D., Widholm J.M. Response of soybean genotypes to boron, zinc and manganese deficiency in tissue culture. Plant and Soil. 1993;150(2):307-310.Гладков Е.А. Клеточная селекция растений полевицы побегоносной (Agrostis stolonifera), обладающих устойчивостью к тяжелым металлам и засолению. Биотехнология. 2010;(6):72-74.Gladkov E.A. Cell selection of Agrоstis stolonífera plants possessing resistance to heavy metals and salinization. Russian Journal of Biotechnology. 2010;(6):72-74. [in Russian]Kabata-Pendias A., Pendias H. Trace elements in soils and plants. 3<sup>rd</sup> ed. Boca Raton, FL: CRC Press; 2001.Kabata-Pendias A., Pendias H. Trace elements in soils and plants. 3<sup>rd</sup> ed. Boca Raton, FL: CRC Press; 2001.Kaznina N.M., Titov A.F. Effect of zinc deficiency and excess on the growth and photosynthesis of winter wheat. Journal of Stress Physiology and Biochemistry. 2017;13(4):88-94.Kaznina N.M., Titov A.F. Effect of zinc deficiency and excess on the growth and photosynthesis of winter wheat. Journal of Stress Physiology and Biochemistry. 2017;13(4):88-94.Клыков А.Г., Барсукова Е.Н., Чайкина Е.Л., Анисимов М.М. Перспективы и результаты селекции Fagopyrum esculentum Moench на повышенное содержание флавоноидов. Вестник Дальневосточного отделения Российской академии наук. 2019;3(205):5-16. DOI: 10.25808/08697698.2019.205.3.001Klykov A.G., Barsukova E.N., Chaikina E.L., Anisimov M.M. Prospects and results of selection of Fagopyrum esculentum Moench for increased flavonoid content. Vestnik of Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences. 2019;3(205):5-16. [in Russian] DOI: 10.25808/08697698.2019.205.3.001Kreft I. Buchweizen Slowenien. In: I. Kreft, C. Ries, C. Zewen (eds). Das Buchweizen Buch: mit Rezepten aus aller Welt. 2. Überarbeitete und erweiterte Aufl. Arzfeld: Islek ohne Grenzen EWIV; 2007. p.71-79. [in German]Kreft I. Buchweizen Slowenien. In: I. Kreft, C. Ries, C. Zewen (eds). Das Buchweizen Buch: mit Rezepten aus aller Welt. 2. Überarbeitete und erweiterte Aufl. Arzfeld: Islek ohne Grenzen EWIV; 2007. p. 71-79. [in German]Li L., Huang X., Borthakur D., Ni H. Photosynthetic activity and antioxidative response of seagrass Thalassia hemprichii to trace metal stress. Acta Oceanologica Sinica. 2012;(3):98-108. DOI: 10.1007/s13131-012-0210-3Li L., Huang X., Borthakur D., Ni H. Photosynthetic activity and antioxidative response of seagrass Thalassia hemprichii to trace metal stress. Acta Oceanologica Sinica. 2012;(3):98-108. DOI: 10.1007/s13131-012-0210-3Lyubenova L., Nehnevajova Е., Herzig R., Schröder Р. Response of antioxidant enzymes in Nicotiana tabacum clones during phytoextraction of heavy metals. Environmental Science and Pollution Research International. 2009;16(5):573-581. DOI: 10.1007/s11356-009-0175-8Lyubenova L., Nehnevajova Е., Herzig R., Schröder Р. Response of antioxidant enzymes in Nicotiana tabacum clones during phytoextraction of heavy metals. Environmental Science and Pollution Research International. 2009;16(5):573-581. DOI: 10.1007/s11356-009-0175-8Maleva M.G., Nekrasova G.F., Borisova G.G., Chukina N.V., Ushakova O.S. Effect of heavy metals on photosynthetic apparatus and antioxidant status of Elodea. Russian Journal of Plant Physiology. 2012;59(2):190-197. DOI: 10.1134/S1021443712020069Maleva M.G., Nekrasova G.F., Borisova G.G., Chukina N.V., Ushakova O.S. Effect of heavy metals on photosynthetic apparatus and antioxidant status of Elodea. Russian Journal of Plant Physiology. 2012;59(2):190-197. DOI: 10.1134/S1021443712020069Murashige T., Skoog F. A. A revised medium for rapid growth and bioassays with tobacco tissue cultures. Physiologia Plantarum. 1962;15(3):473-497. DOI: 10.1111/j.1399-3054.1962.tb08052.xMurashige T., Skoog F. A. A revised medium for rapid growth and bioassays with tobacco tissue cultures. Physiologia Plantarum. 1962;15(3):473-497. DOI: 10.1111/j.1399-3054.1962.tb08052.xNaik P.M., Godbole M., Nagella P., Hosakatte N.M. The effect of heavy metals on in vitro adventitious shoot production and bacoside А content in Bacopa Monnieri (L). Mapana Journal of Sciences. 2015;14(4):1-10. DOI: 10.12723/mjs.35.1Naik P.M., Godbole M., Nagella P., Hosakatte N.M. The effect of heavy metals on in vitro adventitious shoot production and bacoside А content in Bacopa Monnieri (L). Mapana Journal of Sciences. 2015;14(4):1-10. DOI: 10.12723/mjs.35.1Rout G.R., Samantaray S., Das Р. In vitro selection and biochemical characterisation of zinc and manganese adapted callus lines in Brassica spp. Plant Science. 1999;146(2):89-100. DOI: 10.1016/S0168-9452(99)00080-1Rout G.R., Samantaray S., Das Р. In vitro selection and biochemical characterisation of zinc and manganese adapted callus lines in Brassica spp. Plant Science. 1999;146(2):89-100. DOI: 10.1016/S0168-9452(99)00080-1Samantaray S., Rout G.R., Das P. In vitro selection and regeneration of zinc tolerant calli from Setaria italica L. Plant Science. 1999;143(2):201-209. DOI: 10.1016/S0168-9452(99)00036-9Samantaray S., Rout G. R., Das P. In vitro selection and regeneration of zinc tolerant calli from Setaria italica L. Plant Science. 1999;143(2):201-209. DOI: 10.1016/S0168-9452(99)00036-9Sheflin A.M., Chiniquy D., Yuan C., Goren E., Kumar I., Braud M. et al. Metabolomics of sorghum roots during nitrogen stress reveals compromised metabolic capacity for salicylic acid biosynthesis. Plant Direct. 2019;3(3):e00122. DOI: 10.1002/pld3.122Sheflin A.M., Chiniquy D., Yuan C., Goren E., Kumar I., Braud M. et al. Metabolomics of sorghum roots during nitrogen stress reveals compromised metabolic capacity for salicylic acid biosynthesis. Plant Direct. 2019;3(3):e00122. DOI: 10.1002/pld3.122Шуплецова О.Н. Селективные системы in vitro для получения генотипов ячменя с комплексной устойчивостью к почвенным стрессовым факторам : дис. … д-ра биол. наук. Киров; 2019. URL: https://www.dissercat.com/content/selektivnye-sistemy-in-vitro-dlya-polucheniya-genotipov-yachmenya-s-kompleksnoi-ustoichivost [дата обращения: 11.10.2022].Shupletsova O.N. In vitro selective systems for obtaining barley genotypes with complex resistance to soil stressors (Selektivnye sistemy in vitro dlya polucheniya genotipov yachmenya s kompleksnoy ustoychivostyu k pochvennym stressovym faktoram) [dissertation]. Kirov; 2019. [in Russian] URL: https://www.dissercat.com/content/selektivnye-sistemy-in-vitro-dlya-polucheniya-genotipov-yachmenya-s-kompleksnoi-ustoichivost [дата обращения: 11.10.2022].Скугорева С.Г., Ашихмина Т.Я., Фокина А.И., Лялина Е.И. Химические основы токсического действия тяжелых металлов (обзор). Теорeтическая и прикладная экология. 2016;(1):4-10. DOI: 10.25750/1995-4301-2016-1-014-019Skugoreva S.G., Aschikhmina T.Ya., Fokina A.I., Lyapina E.I. Chemical grounds of toxic effect of heavy metals (review). Theoretical and Applied Ecology. 2016;(1):4-10. [in Russian] DOI: 10.25750/1995-4301-2016-1-014-019Титов А.Ф., Таланова В.В., Казнина Н.М., Лайдинен Г.Ф. Устойчивость растений к тяжелым металлам / под ред. Н. Н. Немова. Петрозаводск; 2007.Titov A.F., Talanova V.V., Kaznina N.M., Laydinen G.F. Plant resistance to heavy metals (Ustoychivost rasteniy k tyazhelym metallam). N. N. Nemov (ed.). Petrozavodsk; 2007. [in Russian]Узаков З.З. Тяжелые металлы и их влияние на растения. Символ науки. 2018;(1-2):52-54.Uzakov Z. Z. Heavy metals and their effect on plants (Tyazhelye metally i ikh vliyaniye na rasteniya). Simvol nauki = Symbol of Science. 2018;(1-2):52-54. [in Russian]Zhang J., Jiang F., Shen Y., Zhan Q., Bai B., Chen W. et al. Transcriptome analysis reveals candidate genes related to phosphorus starvation tolerance in sorghum. BMC Plant Biology. 2019;19(1):306. DOI: 10.1186/s12870-019-1914-8Zhang J., Jiang F., Shen Y., Zhan Q., Bai B., Chen W. et al. Transcriptome analysis reveals candidate genes related to phosphorus starvation tolerance in sorghum. BMC Plant Biology. 2019;19(1):306. DOI: 10.1186/s12870-019-1914-8

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