vir-nwТруды по прикладной ботанике, генетике и селекцииProceedings on applied botany, genetics and breeding2227-88342619-0982N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources10.30901/2227-8834-2025-2-128-137vir-nw-2342Research ArticleОТЕЧЕСТВЕННАЯ СЕЛЕКЦИЯ НА СОВРЕМЕННОМ ЭТАПЕDOMESTIC PLANT BREEDING AT THE PRESENT STAGEАдаптивный потенциал ячменя при токсичном воздействии кадмия в различных условиях оценкиAdaptive potential of barley under toxic impact of cadmium in various conditions of assessmenthttps://orcid.org/0000-0003-1861-6076ТовстикЕ. В.TovstikE. V.

Евгения Владимировна Товстик, кандидат биологических наук, научный сотрудник; доцент 

610007, Киров, ул. Ленина, 166а 

610000, Киров, ул. Московская, 36 

Evgeniya V. Tovstik, Cand. Sci. (Biology); Associate Professor 

166a Lenina St., Kirov 610007 

36 Moskovskaya St., Kirov 610000 

tovstik2006@inbox.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4679-0717ШуплецоваО. Н.ShupletsovaO. N.

Ольга Наумовна Шуплецова, доктор биологических наук, доцент, ведущий научный сотрудник 

610007, Киров, ул. Ленина, 166а

Olga N. Shupletsova, Dr. Sci. (Biology), Associate Professor 

166a Lenina St., Kirov 610007 

olga.shuplecova@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2227-7716ПанихинаЛ. В.PanikhinaL. V.

Любовь Владимировна Панихина, аспирант, младший научный сотрудник 

610007, Киров, ул. Ленина, 166а

Lyubov V. Panikhina, Postgraduate Student, Associate Researcher 

166a Lenina St., Kirov 610007 

priemnaya@fanc-sv.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0949-1403ЗлобинаЮ. А.ZlobinaYu. Al.

Юлия Александровна Злобина, младший научный сотрудник 

610007, Киров, ул. Ленина, 166а

Yulia Al. Zlobina, Associate Researcher 

166a Lenina St., Kirov 610007 

ylechkaaaa@mail.ruФедеральный аграрный научный центр Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого ; Вятский государственный университетРоссияFederal Agricultural Research Center of the North-East named N.V. Rudnitsky ; Vyatka State UniversityRussian FederationФедеральный аграрный научный центр Северо-Востока им. Н.В. РудницкогоРоссияFederal Agricultural Research Center of the North-East named N.V. RudnitskyRussian Federation2025300620251862128137Copyright © Товстик Е.В., Шуплецова О.Н., Панихина Л.В., Злобина Ю.А., 20252025Товстик Е.В., Шуплецова О.Н., Панихина Л.В., Злобина Ю.А.Tovstik E.V., Shupletsova O.N., Panikhina L.V., Zlobina Y.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/2342

Актуальность. Определение уровня совместимости реакции генотипов ячменя (Hordeum vulgare L.) на токсичность кадмия в различных тест-системах актуально для повышения объективности оценки их стрессоустойчивости. Цель работы заключалась в сравнительном анализе устойчивости ячменя к кадмию в лабораторных и вегетационных опытах.Материалы и методы. Объектами исследования служили 9 сортов ячменя различного эколого-географического происхождения. Оценку устойчивости сортов к кадмию проводили в рулонной культуре. Полученные данные сопоставляли с результатами вегетационного опыта.Результаты и заключение. Токсический эффект 20 и 50 мг/дм3 Cd2+проявлялся в снижении длины корней и ростков проростков ячменя, а также асинхронности их роста. Сорта ячменя с более высокой урожайностью в условиях кадмиевого стресса, характеризовались большим содержанием свободных фенольных соединений (ФС) в корнях и ростках, а также общим содержанием ФС в ростках. Наличие взаимосвязи между уровнем накопления ФС в корнях и индексом длины корня, а также между накоплением ФС в проростках и урожайностью указывает на потенциальную ценность ФС в отборе устойчивых к кадмию сортов ячменя.

Background. Determining the level of compatibility in barley (Hordeum vulgare L.) genotypes for cadmium toxicity in various test systems is important for increasing the objectivity of assessing their stress resistance. The purpose of this work was a comparative analysis of barley resistance to cadmium in laboratory and pot experiments.Materials and methods. Nine barley cultivars of various ecogeographic origin served as the material for the study. Their cadmium resistance was assessed in roll culture. The data obtained were compared with the results of the pot experiment.Results and conclusion. The toxic effect of 20 and 50 mg/dm3 Cd2+ was manifested in a decrease in the length of the roots and shoots of barley plantlets, and in the asynchrony of their growth. Barley cultivars with higher yields under cadmium stress conditions demonstrated high content of free phenolic compounds (PС) in roots and shoots, as well as the total content of PС in shoots. The relationships between the level of PС accumulation in roots and the root length index, and between PС accumulation in shoots and yield, indicated the potential value of PС in the selection of cadmium-resistant barley cultivars.

стрессустойчивостькореньростокфенольные соединенияурожайностьstressresistancerootshootphenolic compoundsyieldработа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ в рамках Государственного задания Федерального аграрного научного центра Северо-Востока им. Н.В. Рудницкого по теме № FNWE-2025-0008 «Разработка новых биотехнологических методов создания перспективных генотипов сельскохозяйственных культур со стабильной продуктивностью, толерантных к эдафическим стрессорам, получение нового исходного материала регенерантного происхождения для селекции адаптивных сортов растений». Авторы благодарят рецензентов за их вклад в экспертную оценку этой работы.the research was carried out under the support of the Ministry of Science and Higher of the Russian Fe deration within the state task assigned to the Federal Agricultural Research Center of the North-East named N.V. Rudnitsky, Theme No. FNWE-2025-0008 “Development of new biotechnological methods for producing promising crop genotypes with stable productivity and tolerance to edaphic stressors, and obtaining new source material of regenerative origin for breeding adaptable plant cultivars”. The authors thank the reviewers for their contribution to the peer review of this work.ReferencesДикарев А.В., Дикарев Д.В., Крыленкин Д.В. Сортовая дифференциация ярового ячменя по устойчивости к кадмию на основе морфометрических, биохимических показателей и продуктивности. Агрохимия. 2024;(10):68-82. DOI: 10.31857/S0002188124100083Dikarev A.V., Dikarev D.V., Krylenkin D.V. Varietal differentiation of spring barley in terms of cadmium resistance based on morphometric, biochemical parameters, and productivity. Agricultural Chemistry. 2024;(10):68-82. [in Russian] DOI: 10.31857/S0002188124100083Elguera J.C.T., Barrientos E.Y., Wrobel Kaz., Wrobel Kat. Effect of cadmium (Cd(II)), selenium (Se(IV)) and their mixtures on phenolic compounds and antioxidant capacity in Lepidium sativum. Acta Physiologiae Plantarum. 2012;35(2):431- 441. DOI: 10.1007/s11738-012-1086-8Elguera J.C.T., Barrientos E.Y., Wrobel Kaz., Wrobel Kat. Effect of cadmium (Cd(II)), selenium (Se(IV)) and their mixtures on phenolic compounds and antioxidant capacity in Lepidium sativum. Acta Physiologiae Plantarum. 2012;35(2):431- 441. DOI: 10.1007/s11738-012-1086-8Гераськин С.А., Дикарев А.В., Дикарев В.Г., Дикарева Н.С. Анализ внутривидового полиморфизма ячменя по устойчивости к действию кадмия. Агрохимия. 2021;(8):49-56. DOI: 10.31857/S0002188121080081Geras’kin S.A., Dikarev A.V., Dikarev V.G., Dikareva N.S. Analysis of intraspective polymorphism in barley for resistance to cadmium. Agricultural Chemistry. 2021;(8):49- 56. [in Russian] DOI: 10.31857/S0002188121080081Goncharuk E.A., Zagoskina N.V. Heavy metals, their phytotoxicity, and the role of phenolic antioxidants in plant stress responses with focus on cadmium: review. Molecules. 2023;28(9):3921. DOI: 10.3390/molecules28093921Goncharuk E.A., Zagoskina N.V. Heavy metals, their phytotoxicity, and the role of phenolic antioxidants in plant stress responses with focus on cadmium: review. Molecules. 2023;28(9):3921. DOI: 10.3390/molecules28093921Горбунова В.А., Зубкова В.М., Белозубова Н.Ю. Продуктивность и фотосинтетическая деятельность растений льна-долгунца при загрязнении почвы кадмием. Аграрная Россия. 2020;(3):27-32. DOI: 10.30906/1999-5636-2020-3-27-32Gorbunova V.A., Zubkova V.M., Belozubova N.Yu. Productivity and photosynthetic activity of Linum usitatissimum L. plants during soil contamination with cadmium. Agrarian Russia. 2020;(3):27-32. [in Russian] DOI: 10.30906/1999-5636-2020-3-27-32ГОСТ 12038-84. Межгосударственный стандарт. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести. Москва: Стандартинформ; 1986. URL: http://docs.cntd.ru/document/gost-12038-84 [дата обращения: 04.12.2024].GOST 12038-84. Interstate standard. Agricultural seeds. Methods for determination of germination. Moscow: Standartinform; 1986. [in Russian] URL: http://docs.cntd.ru/document/gost-12038-84 [дата обращения: 04.12.2024].ГОСТ Р 55488-2013. Национальный стандарт Российской Федерации. Прополис. Метод определения полифенолов. Москва: Стандартинформ; 2014. URL: https://meganorm.ru/Data2/1/4293774/4293774185.pdf [дата обращения: 04.12.2024].GOST R 55488-2013. National standard of the Russian Federation. Propolis. Method for the determination of polyphenols. Moscow: Standartinform; 2014. [in Russian] URL: https://meganorm.ru/Data2/1/4293774/4293774185.pdf [дата обращения: 04.12.2024].Horbowicz M., Mitrus J. Impact of short-term exposure to lead and cadmium of common buckwheat (Fagopyrum esculentum Moench) seedlings grown in hydroponic culture. Journal of Elementology. 2020;25(2):633-644. DOI: 10.5601/jelem.2019.24.4.1908Horbowicz M., Mitrus J. Impact of short-term exposure to lead and cadmium of common buckwheat (Fagopyrum esculentum Moench) seedlings grown in hydroponic culture. Journal of Elementology. 2020;25(2):633-644. DOI: 10.5601/jelem.2019.24.4.1908Ильинский А.В., Виноградов Д.В. К вопросу толерантности ярового ячменя при выращивании на почве, загрязненной комплексом тяжелых металлов. Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета им. П.А. Костычева. 2016;2(30):23-28.Ilinskiy A.V., Vinogradov D.V. The question of spring barley tole rance when growing on the land polluted with heavy metals. Herald of Ryazan State Agrotechnological University named after P.A. Kostychev. 2016;2(30):23- 28. [in Russian]Jańczak-Pieniążek M., Cichoński J., Michalik P., Chrzanowski G. Effect of heavy metal stress on phenolic compounds accumulation in winter wheat plants. Molecules. 2022;28(1):241. DOI: 10.3390/molecules28010241Jańczak-Pieniążek M., Cichoński J., Michalik P., Chrzanowski G. Effect of heavy metal stress on phenolic compounds accumulation in winter wheat plants. Molecules. 2022;28(1):241. DOI: 10.3390/molecules28010241Косарева И.А. Изучение коллекции сельскохозяйственных культур и диких родичей по признакам устойчивости к токсическим элементам кислых почв. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2012;170:34-44.Kosareva I.A. The study of crops and wild relatives collections for signs of resistance to toxic elements of acid soils. Proceedings on Applied Botany, Genetics and Breeding. 2012;170:34-44. [in Russian]Li Y., Rahman S.U., Qiu Z., Shahzad S.M., Nawaz M.F., Huang J. et al. Toxic effects of cadmium on the physiological and biochemical attributes of plants, and phytoremediation strategies: A review. Environmental Pollution. 2023;325:121433. DOI: 10.1016/j.envpol.2023.121433Li Y., Rahman S.U., Qiu Z., Shahzad S.M., Nawaz M.F., Huang J. et al. Toxic effects of cadmium on the physiological and biochemical attributes of plants, and phytoremediation strategies: A review. Environmental Pollution. 2023;325:121433. DOI: 10.1016/j.envpol.2023.121433Лисицын Е.М. Показатели развития корневых систем в эдафической селекции ячменя. Зернобобовые и крупяные культуры. 2018;2(26):66-71. DOI: 10.24411/2309-348X-2018-10019Lisitsyn E.M. Indexes of root system development for barley edaphic breeding. Legumes and Groat Crops. 2018;2(26):66- 71. [in Russian] DOI: 10.24411/2309-348X-2018-10019Лукин С.В., Кононенко Л.А., Мирошникова Ю.В. Влияние кадмия на развитие фотосинтетического аппарата и урожайность яровой пшеницы. Агрохимия. 2004;(3):63-68.Lukin S.V., Kononenko L.A., Miroshnikova Yu.V. The effect of cadmium on the development of photosynthetic apparatus and yield of spring wheat. Agricultural Chemistry. 2004;(3):63-68. [in Russian]Maksimović I., Kastori R., Krstić L., Luković J. Steady presence of cadmium and nickel affects root anatomy, accumulation and distribution of essential ions in maize seedlings. Biologia Plantarum. 2007;51:589-592. DOI: 10.1007/s10535-007-0129-2Maksimović I., Kastori R., Krstić L., Luković J. Steady presence of cadmium and nickel affects root anatomy, accumulation and distribution of essential ions in maize seedlings. Biologia Plantarum. 2007;51:589-592. DOI: 10.1007/s10535-007-0129-2Małkowski E., Sitko K., Szopiński M., Gieroń Ż., Pogrzeba M., Kalaji H.M. et al. Hormesis in plants: The role of oxidative stress, auxins and photosynthesis in corn treated with Cd or Pb. International Journal of Molecular Sciences. 2020;21(6):2099. DOI: 10.3390/ijms21062099Małkowski E., Sitko K., Szopiński M., Gieroń Ż., Pogrzeba M., Kalaji H.M. et al. Hormesis in plants: The role of oxidative stress, auxins and photosynthesis in corn treated with Cd or Pb. International Journal of Molecular Sciences. 2020;21(6):2099. DOI: 10.3390/ijms21062099Moreira I.N., Martins L.L., Mourato M.P. Effect of Cd, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb and Zn on seed germination and seedling growth of two lettuce cultivars (Lactuca sativa L.). Plant Physiology Reports. 2020;25(2):347-358. DOI: 10.1007/s40502-020-00509-5Moreira I.N., Martins L.L., Mourato M.P. Effect of Cd, Cr, Cu, Mn, Ni, Pb and Zn on seed germination and seedling growth of two lettuce cultivars (Lactuca sativa L.). Plant Physiology Reports. 2020;25(2):347-358. DOI: 10.1007/s40502-020-00509-5Rahman M.F., Islam M., Begum M.C., Kabir A.H., Alam M.F. Genetic variation in cadmium tolerance is related to transport and antioxidant activities in field peas (Pisum sativum L.). Archives of Agronomy and Soil Science. 2016;63(4):578-585. DOI: 10.1080/03650340.2016.1224859Rahman M.F., Islam M., Begum M.C., Kabir A.H., Alam M.F. Genetic variation in cadmium tolerance is related to transport and antioxidant activities in field peas (Pisum sativum L.). Archives of Agronomy and Soil Science. 2016;63(4):578-585. DOI: 10.1080/03650340.2016.1224859Шуплецова О.Н. Щенникова И.Н. Результаты использования клеточных технологий в создании новых сортов ячменя, устойчивых к токсичности алюминия и засухе. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2016;20(5):623-628. DOI: 10.18699/VJ16.183Shupletsova O.N., Shchennikova I.N. Results of using cell technologies for creation of new barley varieties resistant against aluminum toxicity and drought. Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2016;20(5):623-628. [in Russian] DOI: 10.18699/VJ16.183Шуплецова О.Н., Товстик Е.В. Аккумуляция кадмия и цинка регенерантами ячменя на провокационном почвенном фоне с кадмием. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2021;182(4):117-125. DOI: 10.30901/2227-8834-2021-4-117-125Shupletsova O.N., Tovstik E.V. Accumulation of cadmium and zinc in barley regenerants on a provocative soil background with cadmium. Proceedings on Applied Botany, Genetics and Breeding. 2021;182(4):117-125. [in Russian] DOI: 10.30901/2227-8834-2021-4-117-125Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2023 году». Москва: Министерство природных ресурсов и экологии Российской Федерации; 2024. URL: https://2023.ecology-gosdoklad.ru/doklad/pochvyi-zemelnye-resursy/harakteristika-pochv-i-zemelnyhresursov/ [дата обращения: 16.01.2025].State report “On the status and protection of the environment in the Russian Federation in 2023” (Gosudarstvenny doklad “O sostoyanii i ob okhrane okruzhayushchey sredy Rossiyskoy Federatsii v 2023 godu”). Moscow: Ministry of Natural Resources and the Environment of the Russian Federation; 2024. [in Russian] URL: https://2023.ecology-gosdoklad.ru/doklad/pochvyi-zemelnye-resursy/harakteristika-pochv-i-zemelnyhresursov/ [дата обращения: 16.01.2025].Sun R.C., Sun X.F., Zhang S.H. Quantitative determination of hydroxycinnamic acids in wheat, rice, rye, and barley straws, maize stems, oil palm frond fiber, and fast-growing poplar wood. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2001;49(11):5122-5129. DOI: 10.1021/jf010500rSun R.C., Sun X.F., Zhang S.H. Quantitative determination of hydroxycinnamic acids in wheat, rice, rye, and barley straws, maize stems, oil palm frond fiber, and fast-growing poplar wood. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 2001;49(11):5122-5129. DOI: 10.1021/jf010500rVassilev A., Lidon F.C., Ramalho J.C., do Céu Matos M., Bareiro M.G. Shoot cadmium accumulation and photosynthetic performance of barley plants exposed to high cadmium treatments. Journal of Plant Nutrition. 2004;27(5):775-795. DOI: 10.1081/PLN-120030613Vassilev A., Lidon F.C., Ramalho J.C., do Céu Matos M., Bareiro M.G. Shoot cadmium accumulation and photosynthetic performance of barley plants exposed to high cadmium treatments. Journal of Plant Nutrition. 2004;27(5):775-795. DOI: 10.1081/PLN-120030613Wang B., Lin L., Yuan X., Zhu Y., Wang Y., Li D. et al. Low-level cadmium exposure induced hormesis in peppermint young plant by constantly activating antioxidant activity based on physiological and transcriptomic analyses. Frontiers in Plant Science. 2023;14:1088285. DOI: 10.3389/fpls.2023.1088285Wang B., Lin L., Yuan X., Zhu Y., Wang Y., Li D. et al. Low-level cadmium exposure induced hormesis in peppermint young plant by constantly activating antioxidant activity based on physiological and transcriptomic analyses. Frontiers in Plant Science. 2023;14:1088285. DOI: 10.3389/fpls.2023.1088285Wu F., Qian Q., Zhang G. Genotypic differences in effect of cadmium on growth parameters of barley during ontogenesis. Communications in Soil Science and Plant Analysis. 2003;34(13-14):2021-2034. DOI: 10.1081/CSS-120023234Wu F., Qian Q., Zhang G. Genotypic differences in effect of cadmium on growth parameters of barley during ontogenesis. Communications in Soil Science and Plant Analysis. 2003;34(13-14):2021-2034. DOI: 10.1081/CSS-120023234Xu Z.M., Mei X.Q., Tan L., Li Q.S., Wang L.L., He B.Y. et al. Low root/shoot (R/S) biomass ratio can be an indicator of low cadmium accumulation in the shoot of Chinese flowering cabbage (Brassica campestris L. ssp. chinensis var. utilis Tsen et Lee) cultivars. Environmental Science and Pollution Research International. 2018;25(36):36328-36340. DOI: 10.1007/s11356-018-3566-xXu Z.M., Mei X.Q., Tan L., Li Q.S., Wang L.L., He B.Y. et al. Low root/shoot (R/S) biomass ratio can be an indicator of low cadmium accumulation in the shoot of Chinese flowering cabbage (Brassica campestris L. ssp. chinensis var. utilis Tsen et Lee) cultivars. Environmental Science and Pollution Research International. 2018;25(36):36328-36340. DOI: 10.1007/s11356-018-3566-x

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