Аккумуляция кадмия и цинка регенерантами ячменя на провокационном почвенном фоне с кадмием

Актуальность. Эффективным способом получения стресс-толерантных к кадмию генотипов ячменя (Hordeum vulgare L.) с низким уровнем аккумуляции токсичных ионов в зерне является отбор клеток в селективных системах in vitro на основе сомаклональной изменчивости, способствующей формированию специфических и неспецифических адаптивных механизмов.

Материал и методы. Объектом исследований служил сорт ‘999-93’, созданный методом отбора из гибридной комбинации ярового ячменя (Luly × Conrad) × 2867-80, и его регенерантные формы в семенной репродукции 3–5-го поколения, индуцированные в процессе клеточной селекции на средах с кадмием, алюминием и полиэтиленгликолем. Растения выращивали в обычных почвенных условиях и на провокационном фоне по кадмию.

Результаты. Выявлена незначительность вклада средообразующей активности корней исследуемых генотипов в инактивацию токсичных ионов. На провокационном фоне суммарный вынос кадмия растениями повышался в 22,5 раза, достигая 5,8–10,3 мг/кг сухой фитомассы при распределении по органам: корни (91,9– 93,4%) > стебли (5,9–7,8%) > зерно (0,5–0,8%). Количество токсичного металла в зерне увеличивалось у исходной формы в 11 раз, у регенерантов – в 2,8–6,8 раза. Показано негативное влияние избыточного кадмия в почве на аккумуляцию цинка ячменем. Регенеранты, индуцированные на селективных средах с кадмием, имели наибольшие адаптационные преимущества к стрессу: выраженные барьерные функции корней, минимальное накопление токсичных ионов в надземных органах, высокую семенную продуктивность (превосходили исходный генотип по числу зерен и массе зерна с растения на 35,5%). Показана слабость приспособительных реакций, связанных с ограничением аккумуляции кадмия в растительных тканях регенерантов, полученных путем отборов in vitro с алюминием и осмотиком.

1. Беляева А.И. Устойчивость к избытку тяжелых металлов сортов хлебных злаков, отличающихся по кислотоустойчивости. В кн.: Сборник материалов Годичного собрания Общества физиологов растений России, Международной научной конференции «Физико-химические механизмы адаптации растений к антропогенному загрязнению в условиях Крайнего Севера» (Апатиты, 07–11 июня 2009 г.). Апатиты; 2009. С.206-207.

2. Четверикова Н.С., Марциневская Л.В. Кадмий в агроландшафтах лесостепной Зоны ЦЧО. Достижения науки и техники АПК. 2013;7:69-70.

3. Сборник методик измерений массовой концентрации ионов меди, свинца, кадмия, цинка, висмута, марганца, никеля и кобальта методом вольтамперометрии на вольтамперометрическом анализаторе «Экотест-ВА». Москва; 2004.

4. Đalović I.G., Maksimović I.V., Kastori R.R., Jelić M. Ž. Mechanisms of adaptation of small grains to soil acidity. Zbornik Matice srpske za prirodne nauke = Matica Srpska Journal for Natural Sciences. 2010;118:107-120. DOI: 10.2298/ZMSPN1018107D

5. Горбань Д.Н., Юргенсон Г.А. Свинец в системе почва – растение в ландшафте Шерловогорского горнорудного района на примере Рolygonum angustifolium Рallas (Рolygonaceae). Успехи современного естествознания. 2016;12(2):375-379.

6. Проблемы деградации и восстановления продуктивности земель сельскохозяйственного назначения в России / под ред. А.В. Гордеева, Г.А. Романенко. Москва; 2008.

7. ГОСТ 26483-85. Почвы. Приготовление солевой вытяжки и определение ее рН по методу ЦИНАО. Москва: Издательство стандартов; 1985. URL: https://docs.cntd.ru/document/1200023490 [дата обращения: 01.06.2020].

8. 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.

9. Казнина Н.М., Титов А.Ф. Влияние кадмия на физиологические процессы и продуктивность растений семейства Poaceae. Успехи современной биологии. 2013;133(6):588-603).

10. Косарева 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.

11. Кузнецов А.В., Фесюн А.П., Самохвалов С.Г., Махонько Э.П. Методические указания по определению тяжелых металлов в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства. Москва; 1992.

12. Лисицын Е.М., Шихова Л.Н. Модификация структуры пигментного комплекса ячменя ионами свинца и кадмия. Аграрный вестник Верхневолжья. 2016;(3):30-36.

13. Nagajyoti P.C., Lee K.D., Sreekanth T.V.M. Heavy metals, occurrence and toxicity for plants: A review. Environmental Chemistry Letters. 2010;8(3):199-216. DOI: 10.1007/s10311-010-0297-8

14. Rizwan M., Ali S., Ur Rehman M.Z., Maqbool A. A critical review on the effects of zinc at toxic levels of cadmium in plants. Environmental Science and Pollution Research. 2019;26(7):6279-6289. DOI: 10.1007/s11356-019-04174-6

15. Sakellariou M., Mylona P.V. New uses for traditional crops: The case of barley biofortification. Agronomy. 2020;10(12):1964. DOI: 10.3390/agronomy10121964

16. Seregin I.V., Kozhevnikova A.D., Zhukovskaya N.V., Schat H. Cadmium tolerance and accumulation in Excluder Thlaspi arvense and various accessions of hyperaccumulator Noccaea caerulescens. Russian Journal of Plant Physio logy. 2015;62(6):837-846. DOI: 10.1134/S1021443715050131

17. Щенникова И.Н. Модели сортов ярового ячменя для условий Волго-Вятского региона. Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2015;6(49):9-13.

18. Шихова Л.Н., Егошина Т.Л. Тяжелые металлы в почвах и растениях Северо-Востока европейской части России. Киров; 2004.

19. Шуплецова О.Н., Огородникова С.Ю., Назарова Я.И. Эффекты неспецифической устойчивости генотипов ячменя, полученных путем клеточной селекции. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2020;181(4):192-199. DOI: 10.30901/2227-8834-2020-4-192-199

20. 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].

21. Титов А.Ф., Казнина Н.М., Таланова В.В. Тяжелые металлы и растения. Петрозаводск; 2014.

22. Товстик Е.В., Попова А.А., Шуплецова О.Н. Накопление цинка и кадмия в растениях ячменя, полученных методом клеточной селекции. Экобиотех. 2020;3(2):292-297. DOI: 10.31163/2618-964X-2020-3-2-292-297