vir-nwТруды по прикладной ботанике, генетике и селекцииProceedings on applied botany, genetics and breeding2227-88342619-0982N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources10.30901/2227-8834-2020-4-192-199vir-nw-823Research ArticleИММУНИТЕТ КУЛЬТУРНЫХ РАСТЕНИЙ И ИХ ДИКИХ РОДИЧЕЙIMMUNITY OF CULTIVATED PLANTS AND THEIR WILD RELATIVESЭффекты неспецифической устойчивости генотипов ячменя, полученных путем клеточной селекцииEffects of nonspecific resistance in barley genotypes obtained by cell selectionhttps://orcid.org/0000-0003-4679-0717ШуплецоваО. Н.ShupletsovaO. N.

610007  г. Киров, ул. Ленина, 166а

166a Lenina St., Kirov 610007, Russia

olga.shuplecova@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8865-4743ОгородниковаС. Ю.OgorodnikovaS. Yu.

167982 Республика Коми, г. Сыктывкар, ул. Коммунистическая, 28

28 Kommunisticheskaya St., Syktyvkar 167982, Komi Republic

svetao_05@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2945-5282НазароваЯ. И.NazarovaYa. I.

610007  г. Киров, ул. Ленина, 166а

166a Lenina St., Kirov 610007, Russia

Федеральный аграрный научный центр Северо-Востока имени Н.В. РудницкогоРоссияN.V. Rudnitsky Federal Agricultural Science Center of the North-EastRussian FederationИнститут биологии Коми научного центра Уральского отделения РАНРоссияInstitute of Biology, Komi Science Center, Ural Branch of the RASRussian Federation2020271220201814192199Copyright © Шуплецова О.Н., Огородникова С.Ю., Назарова Я.И., 20202020Шуплецова О.Н., Огородникова С.Ю., Назарова Я.И.Shupletsova O.N., Ogorodnikova S.Y., Nazarova Y.I.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://elpub.vir.nw.ru/jour/article/view/823

Эффективным способом повышения генетического разнообразия растений и создания источников устойчивости к эдафическим стрессорам является отбор клеток в селективных условиях in vitro на основе сомаклональной изменчивости. Использование сомаклонов (регенерантных форм) ячменя (Hordeum vulgare L.) с устойчивостью к повышенной кислотности, ионной токсичности алюминия, тяжелых металлов, засухе перспективно в условиях северо-востока Нечерноземной зоны РФ. Актуально создание регенерантов с комплексной устойчивостью к стрессорам, обусловленной механизмами специфического и неспецифического характера.

Объектом исследований служили гибридная комбинация ярового ячменя (Luly × Conrad) × 2867-80 и ее регенерантные формы, полученные в результате клеточной селекции со стрессорами различной природы. Растения выращивали в обычных условиях и на провокационных фонах с алюминием и кадмием. Оценивали продуктивные признаки растений, симптомы окислительного стресса и средообразующую активность корневой системы.

У растений-регенерантов, полученных в каллусной культуре на селективных средах in vitro с алюминием или водным дефицитом, выявлена повышенная способность корневой системы подщелачивать среду в зоне ризосферы (на 0,2–0,5 ед. рН) при выращивании на алюмокислой почве. На стрессовых почвенных фонах у регенерантных линий, индуцируемых на средах in vitro с кадмием или алюминием, отмечено низкое проявление симптомов окислительного стресса, тестируемых по интенсивности перекисного окисления липидов и содержанию фотосинтетических пигментов в листьях, что обеспечивает более высокую семенную продуктивность (по числу зерен в 1,5–3,6 раза и массе зерна с растения в 1,5–3,0 раза) и адаптивные преимущества по сравнению с исходным генотипом и регенерантами, индуцированными на среде с водным дефицитом. Сделан вывод о формировании комплексной устойчивости к токсичности алюминия и кадмия в почве у регенерантов ячменя, полученных в процессе клеточной селекции на средах in vitro с любым из этих металлов. 

An effective way to increase the genetic diversity of plants and create sources of resistance to edaphic stressors is the selection of cells under selective in vitro conditions based on somaclonal variation. The use of somaclones (regenerant forms) of barley with resistance to increased acidity, ionic toxicity of aluminum, heavy metals and drought is promising in the northeast of the Non-Black-Soil Zone of Russia. Development of regenerants with integrated resistance to soil stressors due to specific and nonspecific mechanisms is a relevant trend.

The target research material was a hybrid combination of spring barley (Luly × Conrad) × 2867-80 and its regenerant forms obtained as a result of cell selection with stressors of various nature. Plants were grown under ordinary soil conditions and on provocative backgrounds with aluminum and cadmium. The productive traits of plants, the symptoms of oxidative stress, and the environment-forming activity of the root system were evaluated.

In regenerated plants obtained in callus culture on selective in vitro media with aluminum or water deficiency, an increased ability of the root system to alkalize the medium in the rhizosphere zone (by 0.2–0.5 pH units) when grown on alumina soil was revealed. Against stressful soil backgrounds, regenerative lines induced on in vitro media with cadmium or aluminum were observed to have a low manifestation of oxidative stress symptoms, tested by the intensity of lipid peroxidation and the content of photosynthetic pigments in the leaves, which provided these genotypes with higher seed productivity (1.5–3.6 times in the number of grains, and 1.5– 3.0 times in the grain weight per plant) and adaptive advantages compared to the original genotype and regenerants induced on an in vitro medium with water deficiency. It is concluded that complex resistance to soil aluminum and cadmium toxicity is formed in barley regenerants obtained in the process of cell selection on in vitro media with any of these metals. 

стрессотбор in vitroалюминийкадмийводный дефицитисходный генотипрегенерантпровокационный фонокислительный стресссредообразующая активностьпродуктивные признакиstressin vitro selectionaluminumcadmiumdroughtinitial genotyperegenerantprovocative backgroundoxidative stressenvironment-forming activityproductive traitsАвторы благодарят рецензентов за их вклад в экспертную оценку этой работы.The authors thank the reviewers for their contribution to the peer review of this work.ReferencesBlokhina O., Virolainen E., Fagerstedt K.V. Antioxidants, oxidative damage and oxygen deprivation stress: a review. Annals of Botany. 2003;91(2):179-194. DOI: 10.1093/aob/mcf118Blokhina O., Virolainen E., Fagerstedt K.V. Antioxidants, oxidative damage and oxygen deprivation stress: a review. Annals of Botany. 2003;91(2):179-194. DOI: 10.1093/aob/mcf118Чупахина Г.Н., Мальцева Е.Ю., Скрыпник Л.Н. Влияние кадмия различной концентрации на ростовые процессы и пигментный аппарат проростков тимофеевки луговой (Phleum pretense L.). В кн.: Растение и стресс: Всероссийский симпозиум, Москва, 9–12 октября 2010 г. Москва: ИФР им. К.А. Тимирязева; 2010. С.388-389.Chupakhina G.N., Maltseva E.Yu., Skrypnik L.N. The effect of cadmium of various concentrations on growth processes and the pigment apparatus of meadow timothy seedlings (Phleum pretense L.) (Vliyaniye kadmiya razlichnoy kontsentratsii na rostovye protsessy i pigmentny apparat prorostkov timofeyevki lugovoy [Phleum pretense L.]) In: Plant and Stress: All-Russian Symposium, Moscow, October 9–12, 2010. Moscow: K.A. Timiryazev Plant Physiology Institute; 2010. p.388-389. [in Russian]Долгих Ю.И. Результаты и перспективы использования клеточной селекции для создания перспективных форм растений. В кн.: Биотехнология в растениеводстве, животноводстве и ветеринарии. Тез. докл. III Межд. науч. конф., 19 октября 2004 г. Москва; 2004. С.114-115.Dolgikh Yu.I. Results and prospects of using cell breeding to create promising plant forms (Rezultaty i perspektivy ispolzovaniya kletochnoy selektsii dlya sozdaniya perspektivnykh form rasteniy). In: Biotechnology in Plant Growing, Animal Husbandry and Veterinary Medicine (Biotekhnologiya v rasteniyevodstve, zhivotnovodstve i veterinarii). Rep. Synopses of the III Internat. Scient. Conf., October 19, 2004. Moscow; 2004. p.114-115. [in Russian]Гарифзянов А.Р., Жуков Н.Н., Иванищев В.В. Образование и физиологические реакции активных форм кислорода в клетках растений. Современные проблемы науки и образования. 2011;2. URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=4600 [дата обращения: 22.05.2020].Garifzyanov A.R., Zhukov N.N., Ivanishchev V.V. Formation and physiological reactions of oxygen active forms in plant cells. Modern Problems of Science and Education. 2011;2. [in Russian] URL: http://www.science-education.ru/ru/article/view?id=4600 [дата обращения: 22.05.2020].Гладков Е.А. Получение растений полевицы побегоносной с комплексной устойчивостью к тяжелым металлам и засолению методами клеточной селекции. Сельскохозяйственная биология. 2009;(6):85-88.Gladkov E.A. Biotechnological methods for isolation the plants possessing complex stability to heavy metals and salinization. Agricultural Biology 2009;(6):85-88. [in Russian]ГОСТ 26483-85. Почвы. Приготовление солевой вытяжки и определение ее рН по методу ЦИНАО. Москва: Издательство стандартов; 1985.GOST 26483-85. Soils. Preparation of salt extract and determination of its рН by CINAO method. Moscow: Standards Publishing House; 1985. [in Russian]Guo T.R., Zhang G.P., Zhang Y.H. Physiological changes in barley plants under combined toxicity of aluminum, copper and cadmium. Colloids and surfaces B: Biointerfaces. 2007;57(2):182-188. DOI: 10.1016/j.colsurfb.2007.01.013Guo T.R., Zhang G.P., Zhang Y.H. Physiological changes in barley plants under combined toxicity of aluminum, copper and cadmium. Colloids and surfaces B: Biointerfaces. 2007;57(2):182-188. DOI: 10.1016/j.colsurfb.2007.01.013Ибрагимова С.С., Горелова В.В., Кочетов А.В., Шумный В.К. Роль различных метаболитов в формировании стрессоустойчивости растений. Вестник НГУ. Серия: Биология, клиническая медицина. 2010;8(3):98-103.Ibragimova S.S., Gorelova V.V., Kochetov A.V., Shumny V.K. Role of plant metabolites in mechanisms of stress tolerance. Vestnik NSU. Series: Biology, Clinical Medicine. 2010;8(3):98-103. [in Russian]Ильин В.Б., Сисо А., Хмелев В.А. Микроэлементы и тяжелые металлы в почвах и растениях Новосибирской области. Новосибирск: СО РАН; 2001.Ilyin V.B., Siso A., Khmelev V.A. Trace elements and heavy metals in soils and plants of Novosibirsk Province (Mikroelementy i tyazhelye metally v pochvakh i rasteniyakh Novosibirskoy oblasti). Novosibirsk: Siberian Division of the RAS; 2001. [in Russian]Jaleel C.A., Manivannan P., Wahid A., Farooq M., Al-Juburi H.J., Somasundaram R. et al. Drought stress in plants: a review on morphological characteristics and pigments composition. International Journal of Agriculture and Biology. 2009;11(1):100-105.Jaleel C.A., Manivannan P., Wahid A., Farooq M., Al-Juburi H.J., Somasundaram R. et al. Drought stress in plants: a review on morphological characteristics and pigments composition. International Journal of Agriculture and Biology. 2009;11(1):100-105.Khan N., Singh Gill S., Nazar R. Activities of antioxidative enzymes, sulphur assimilation, photosynthetic activity and growth of wheat (Triticum aestivum) cultivars differing in yield potential under cadmium stress. Journal of Agronomy and Crop Science. 2007;193(6):435-444.Khan N., Singh Gill S., Nazar R. Activities of antioxidative enzymes, sulphur assimilation, photosynthetic activity and growth of wheat (Triticum aestivum) cultivars differing in yield potential under cadmium stress. Journal of Agronomy and Crop Science. 2007;193(6):435-444.Kreslavski V.D., Los D.A., Allakhverdiev S.I., Kuznetsov V.V. Signaling role of reactive oxygen species in plants under stress. Russian Journal of Plant Physiology. 2012;59(2):141- 154.Kreslavski V.D., Los D.A., Allakhverdiev S.I., Kuznetsov V.V. Signaling role of reactive oxygen species in plants under stress. Russian Journal of Plant Physiology. 2012;59(2):141- 154.Кузнецов В.В, Ходырев Б.Т., Рощупкин Б.В., Борисова Н.Н. Общие системы устойчивости хлопчатника к засолению и высокой температуре: факты и гипотезы. Физиология растений. 1990;37(5):987- 996.Kuznetsov V.V., Khodyrev B.T., Roshchupkin B.V., Borisova N.N. General systems of cotton resistance to salinization and high temperature: facts and hypotheses (Obshchiye sistemy ustoychivosti khlopchatnika k zasoleniyu i vysokoy temperature: fakty i gipotezy). Russian Journal of Plant Physiology. 1990;37(5):987-996. [in Russian]Li Y.Y., Zhang Y.J., Zhou Y., Yang J.L., Zheng S.J. Protecting cell walls from binding aluminum by organic acids contributes to aluminum resistance. Journal of Integrative Plant Biology. 2009;51(6):574-580. DOI: 10.1111/j.1744-7909.2009.00825.xLi Y.Y., Zhang Y.J., Zhou Y., Yang J.L., Zheng S.J. Protecting cell walls from binding aluminum by organic acids contributes to aluminum resistance. Journal of Integrative Plant Biology. 2009;51(6):574-580. DOI: 10.1111/j.1744-7909.2009.00825.xMahmood I., Razzaq A., Ashraf M., Hafiz I.A., Kaleem S., Qayyum A. et al. In vitro selection of tissue culture induced somaclonal variants of wheat for drought tolerance. Journal of Agricultural Research. 2012;50(2):177-188.Mahmood I., Razzaq A., Ashraf M., Hafiz I.A., Kaleem S., Qayyum A. et al. In vitro selection of tissue culture induced somaclonal variants of wheat for drought tolerance. Journal of Agricultural Research. 2012;50(2):177-188.Никитина Е.Д., Хлебова Л.П., Ерещенко О.В. Разработка отдельных элементов технологии клеточной селекции яровой пшеницы на устойчивость к абиотическим стрессам. Известия Алтайского государственного университета. 2014;2(3):50-54.Nikitina E.D., Khlebova L.P., Ereschenko O.V. The development of some technology of the spring wheat cell selection for resistance to abiotic stresses. Izvestiya of Altai State University Journal. 2014;2(3):50-54. [in Russian]Rai M.K., Kalia R.K., Singh R., Gangola M.P., Dhawan A.K. Developing stress tolerant plants through in vitro selection – an overview of the recent progress. Environmental and Experimental Botany. 2011;71(1):89-98. DOI: 10.1016/j.envexpbot.2010.10.021Rai M.K., Kalia R.K., Singh R., Gangola M.P., Dhawan A.K. Developing stress tolerant plants through in vitro selection – an overview of the recent progress. Environmental and Experimental Botany. 2011;71(1):89-98. DOI: 10.1016/j.envexpbot.2010.10.021Рожанская О.А. О сомаклональной изменчивости растений как источнике биоразнообразия для селекции В кн.: Селекция растений: прошлое, настоящее и будущее. Сб. матер. I Всеросc. науч.-практ. конф. с междунар. уч., посв. 140-летию НИУ БелГУ. Белгород, 24–26 ноября 2016 г. Белгород; 2016. С.152-156. URL: http://dspace.bsu.edu.ru/bitstream/123456789/18621/1/Selecstiya%20rasteniy_konferenstiya_2017.pdf [дата обращения: 17.06.2020].Rozhanskaya O.A. About somaclonal variability of plants as a source of biodiversity for breeding (O somaklonalnoy izmenchivosti rasteniy kak istochnike bioraznoobraziya dlya selektsii) In: Plant Breeding: Past, Present and Future (Selektsiya rasteniy: proshloye, nastoyashcheye i budushcheye). Proc. of the I All-Russ. Scient. and Pract. Conf. with Internat. Particip. dedicated to the 140th Anniversary of Belgorod State University, Belgorod, November 24–26, 2016. Belgorod; 2016. p.152-56. [in Russian] URL: http://dspace.bsu.edu.ru/bitstream/123456789/18621/1/Selecstiya%20rasteniy_konferenstiya_2017.pdf [дата обращения: 17.06.2020].Щенникова И.Н. Селекция ярового ячменя для условий ВолгоВятского региона: дис. … докт. с.-х. наук. Москва; 2016.Shchennikova I.N. Spring barley breeding for the environments of the Volga-Vyatka region (Selektsiya yarovogo yachmenya dlya usloviy Volgo-Vyatskogo regiona) [dissertation]. Moscow; 2016. [in Russian]Шешегова Т.К. Методы селекции зерновых культур на устойчивость к болезням в Северо-Восточном селекцентре. В кн.: Матер. науч.-практ. конф. «Методы и технологии в селекции растений». Киров: НИИСХ Северо-Востока; 2014. С.34-42.Sheshegova T K. Methods of breeding cereal crops for disease resistance in the Northeast Breeding Center (Metody selektsii zernovykh kultur na ustoychivost k boleznyam v Severo-Vostochnom selektsentre). In: Methods and Technologies in Plant Breeding (Metody i tekhnologii v selektsii rasteniy). Proc. of the Scient. and Pract. Conf. Kirov: Res. Inst. of Agric. of the North-East; 2014. p.34-42 [in Russian]Широких И.Г., Шуплецова О.Н., Товстик Е.В., Огородникова С.Ю., Назарова Я.И., Березин Г.И. Комплексная оценка растений ячменя, полученных путем клеточной селекции на устойчивость к кадмию. Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2018;65(4):19-29. DOI: 10.30766/2072-9081.2018.65.4.19-29Shirokikh I.G., Shupletsova O.N., Tovstik E.V., Ogo rodnikova S.Yu., Nazarova Y.I., Berezin G.I. Comprehensive assessment of barley plants regenerated from resistant to cadmium callus lines. Agricultural Science EuroNorth-East. 2018;65(4):19-29. [in Russian] DOI: 10.30766/2072-9081.2018.65.4.19-29Шуплецова 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., Широких И.Г. Повышение устойчивости ячменя к токсичности металлов и осмотическому стрессу путем клеточной селекции. Зерновое хозяйство России. 2015;(1):57-62. URL: https://www.zhros.ru/jour/article/viewFile/231/230 [дата обращения: 17.06.2020].Shupletsova O.N., Shirokikh I.G. Increase of barley tolerance to toxicity of metals and osmotic stress using cell selection. Grain Economy of Russia. 2015;(1):57-62. [in Russian] URL: https://www.zhros.ru/jour/article/viewFile/231/230 [дата обращения: 17.06.2020].Соколова Т.А., Толпешта И.И., Трофимов С.Я. Почвенная кислотность. Кислотно-основная буферность почв. Соединения алюминия в твердой фазе почвы и в почвенном растворе. 2-е изд. Тула: Гриф и К; 2012. URL: http://soil.msu.ru/attachments/article/1366/Почвенная%20кислотность.pdf [дата обращения: 27.07.2020].Sokolova T.A., Tolpeshta I.I., Trofimov S.Ya. Soil acidity. Acidbase soil buffering. Aluminum compounds in the solid phase of the soil and in the soil solution (Pochvennaya kislotnost. Kislotno-osnovnaya bufernost pochv. Soyedineniya alyuminiya v tverdoy faze pochvy i v pochvennom rastvore). 2nd ed. Tula: Grif & Co.; 2012. [in Russian] URL: http://soil.msu.ru/attachments/article/1366/Почвенная%20кислотность.pdf [дата обращения: 27.07.2020].Ванюшин Б.Ф. Эпигенетика сегодня и завтра. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2013;17(4/2):805-832.Vanyushin B.F. Epigenetics today and tomorrow. Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2013;17(4/2):805-832. [in Russian]Чжан Х., Ли Я.Х., Ху Л.Ю., Ван С.Х., Чжан Ф.К., Ху К.Д. Влияние обработки листьев пшеницы донором окиси азота на антиокислительный метаболизм при стрессе, вызванном алюминием. Физиология растений. 2008;55(4):523-528.Zhang H., Li Y.H., Hu L.Y., Wang S.H., Zhang F.K., Hu K.D.. Effect of treatment of wheat leaves with a nitric oxide donor on antioxidant metabolism under stress caused by aluminum (Vliyaniye obrabotki listyev pshenitsy donorom okisi azota na antiokislitelny metabolizm pri stresse, vyzvannom alyuminiyem) Russian Journal of Plant Physiology. 2008;55(4):523-528. [in Russian]

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