Алюмотолерантность и микроэлементный состав зерновки сортов овса из коллекции ВИР с различной степенью селекционной проработки

Актуальность. Почвенная токсичность Al связана с серьезными изменениями в морфологии корней у растений, которая ограничивает поглощение воды и минеральных питательных веществ. Длительное воздействие Al приводит к дефициту некоторых важных питательных веществ, таких как фосфор, кальций, магний, калий и железо. Таким образом, совместное изучение устойчивости растений к воздействию Al и накопления микроэлементов в зерновке овса являются актуальными.

Материалы и методы. Материалом для исследований послужили 30 образцов овса российского и французского происхождения из коллекции ВИР. Они были представлены сортами с разным уровнем селекционной проработки: стародавними сортами (начало 1920-х гг.), сортами, полученными методом примитивной селекции (1920–1930-е гг.), и современными улучшенными сортами.

Результаты. Сорта овса с разным уровнем селекционной проработки показали существенные различия по содержанию микроэлементов и толерантности к алюминию. Среди изученных образцов стародавние сорта и современные улучшенные сорта проявляли тенденцию к средней или высокой устойчивости к Al, самая низкая устойчивость к Al была у группы примитивных сортов из России, а самая высокая средняя устойчивость (0,5–1,9) проявлялась у примитивных сортов из Франции.

Заключение. На содержание Fe и Zn повлияло географическое происхождение генотипов. Концентрации различных микроэлементов положительно коррелировали между собой. Сильные корреляции зафиксированы между содержаниями Zn и Fe (r = 0,81), а также между Zn и Mg (r = 0,75). Выявлена положительная корреляция между содержанием микроэлементов и устойчивостью к корончатой ржавчине (0,38–0,50). Высокое содержание изучаемого набора микроэлементов отмечено у таких улучшенных сортов из Франции, как голозерные ‘Avoine Nue Renne’, ‘Chantilly’, ‘Negrita’ и ‘Noire de Michamps’, а также у российского селекционного голозерного сорта ‘Гаврош’. Среди них ‘Chantilly’ отличался урожайностью, а голозерный сорт ‘Гаврош’ – высокой устойчивостью к алюминию.

1. Alloway B.J. Micronutrient deficiencies in global crop production. Heidelberg: Springer; 2008.

2. Aniol A. Metody określania toleranoyinosia zboz na toksyozne dziatanie jonów glinu. Bulletin of Plant Breeding and Acclimatization Institute. 1991;(143):7-11. [in Polish]

3. Баталова Г.А. Овес. Технология возделывания и селекция. Киров; 2000.

4. Bhullar N.K. Gruissem W. Nutritional enhancement of rice for human health: The contribution of biotechnology. Biotechnology Advances. 2013;31(1):50-57. DOI: 10.1016/j.biotechadv.2012.02.001

5. Bityutskii N., Loskutov I., Yakkonen K., Konarev A., Shelenga T., Khoreva V. et al. Screening of Avena sativa cultivars for iron, zinc, manganese, protein and oil contents and fatty acid composition in whole grains. Cereal Research Communications. 2020;48(1):87-94. DOI: 10.1007/s42976-019-00002-2

6. Bityutskii N., Yakkonen K., Loskutov I. Content of iron, zinc and manganese in grains of Triticum aestivum, Secale cereale, Hordeum vulgare and Avena sativa cultivars registered in Russia. Genetic Resources and Crop Evolution. 2017;64(8):1955-1961. DOI: 10.1007/s10722-016-0486-9

7. Bornhorst J., Ebert F., Hartwig A., Michalke B., Schwerdtle T. Manganese inhibits poly(ADP-ribosyl)ation in human cells: a possible mechanism behind manganese-induced toxicity? Journal of Environmental Monitoring. 2010;(11):2062-2069. DOI: 10.1039/C0EM00252F

8. Doesthale Y.G., Devara S., Rao S., Belavady B.. Effect of milling on mineral and trace element composition of raw and parboiled rice. Journal of the Science of Food and Agriculture. 1979;30(1):40-46. DOI: 10.1002/jsfa.2740300108

9. Ермаков В.В., Тютиков С.Ф., Сафанов В.А. Биогеохимическая индикация микроэлементов. Москва: РАН; 2018.

10. Frossard E., Bucher M., Mächler F., Mozafar A., Hurrel R. Potential for increasing the content and bioavailability of Fe, Zn and Ca in plants for human nutrition. Journal of the Science of Food and Agriculture. 2000;80(7):861-879. DOI: 10.1002/(SICI)1097-0010(20000515)80:7<861:AID-JSFA601>3.0.CO;2-P

11. Gómez-Galera S., Rojas E., Sudhakar D., Zhu C., Pelacho A.M., Capell T. et al. Critical evaluation of strategies for mineral fortification of staple food crops. Transgenic Research. 2010;19(2):165-180. DOI: 10.1007/s11248-009-9311-y

12. Graham R.D., Welch R.M., Bouis H.E. Addressing micronutrient malnutrition through enhancing the nutritional quality of staple foods: Principles, perspectives and knowledge gaps. Advances in Agronomy. 2001;70:77-142. DOI: 10.1016/S0065-2113(01)70004-1

13. Gregorio G.B., Senadhira D., Htut H., Graham R.D. Breeding for trace mineral density in rice. Food and Nutrition Bulletin. 2000;21(4):382-386. DOI: 10.1177/156482650002100407

14. Grusak M.A., DellaPenna D. Improving the nutrient composition of plants to enhance human nutrition and health. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology. 1999;50:133-161. DOI: 10.1146/annurev.arplant.50.1.133

15. Gupta N., Gaurav S.S., Kumar A. Molecular basis of aluminium toxicity in plants: a review. American Journal of Plant Sciences. 2013;4(12):21-37. DOI: 10.4236/ajps.2013.412A3004

16. International Zinc Nutrition Consultative Group (IZiNCG); Brown K.H., Rivera J.A., Bhutta Z., Gibson R.S., King J.C., Lönnerdal B. et al. International Zinc Nutrition Consultative Group (IZiNCG) technical document #1. Assessment of the risk of zinc deficiency in populations and options for its control. Food and Nutrition Bulletin. 2004; 25(1 Suppl 2):S99-203.

17. Коренев В.Б., Белоус И.Н., Яговенко Г.Л., Воробьева Л.А. Эффективность систем удобрения в севообороте при возделывании овса на зерно. Аграрный вестник Урала. 2015;9(139):13-18.

18. Методические указания по определению кислотоустойчивости зерновых культур. Санкт-Петербург: ВИР; 1995.

19. Косарева И.А., Мельникова С.В., Лоскутов И.Г. Алюмоустойчивость сортов овса отечественной селекции). Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2013;171:114-116.

20. Kutman U.B., Yildiz B., Cakmak I. Effect of nitrogen on uptake, remobilization and partitioning of zinc and iron through-out the development of durum wheat. Plant and Soil. 2011;342:149-164. DOI: 10.1007/s11104-010-0679-5

21. Лоскутов И.Г. Овес (Avena L.). Распространение, систематика, эволюция и селекционная ценность. Санкт-Петербург: ВИР; 2007.

22. Loskutov I.G., Khlestkina E.K. Wheat, barley, and oat breeding for health benefit components in grain. Plants. 2021;10(1):86. DOI: 10.3390/plants10010086

23. Loskutov I.G., Kosareva I.A., Melnikova S.V., Blinova E.V., Bagmet L.V. Genetic diversity in tolerance of wild Avena species to aluminium (Al). Genetic Resources and Crop Evolution. 2017;64(5):955-965. DOI: 10.1007/s10722-016-0417-9

24. Лоскутов И.Г., Ковалева О.Н., Блинова Е.В. Методические указания по изучению и сохранению мировой коллекции ячменя и овса. Санкт-Петербург: ВИР; 2012.

25. Loskutov I.G., Rines H.W. Avena L. In: C. Kole (ed.). Wild Crop Relatives: Genomic and Breeding Resources. Heidelberg; Berlin: Springer; 2011. p.109-184. DOI: 10.1007/978-3-642-14228-4_3

26. Mendoza C. Effect of genetically modified low phytic acid plants on mineral absorption. International Journal of Food Science and Technology. 2002;37(7):759-767. DOI: 10.1046/j.1365-2621.2002.00624.x

27. Nichol B.E., Oliveira L.A., Glass A.D.M., Siddiqi M.Y. The effects of aluminum on the influx of calcium, potassium, ammonium, nitrate, and phosphate in an aluminum-sensitive cultivar of barley (Hordeum vulgare L.). Plant Physiology. 1993;101(4):1263-1266. DOI: 10.1104/pp.101.4.1263

28. Olivares E., Peña E., Marcano E., Giannangeli J.M., Aguiar G., Benítez M. et al. Aluminum accumulation and its relationship with mineral plant nutrients in 12 pteridophytes from Venezuela. Environmental and Experimental Botany. 2009;65(1):132-141. DOI: 10.1016/j.envexpbot.2008.04.002

29. Панасенко Л.М., Карцева Т.В., Нефедова Ж.В., Задорина-Хуторная Е.С. Роль основных минеральных веществ в питании детей. Российский вестник перинатологии и педиатрии. 2018; 63(1):122-127.

30. Pérez-Clemente R.M., 1, Vives V., Zandalinas S.I., López-Climent M.F., Muñoz V., Gómez-Cadenas A. Biotechnological approaches to study plant responses to stress. BioMed Research International. 2013;2013:654120. DOI: 10.1155/2013/654120

31. Пухальская Н.В. Проблемные вопросы алюминиевой токсичности. Агрохимия. 2005;(8):70-82.

32. Ребров В.Г., Громова О.А. Витамины, макро- и микроэлементы. Москва: Геотар-медиа; 2008.

33. Shelenga T.V., Kerv Yu.A., Perchuk I.N., Solovyeva A.E., Khlestkina E.K., Loskutov I.G. et al. The potential of small grains crops in enhancing biofortification breeding strategies for human health benefit. Agronomy. 2021;11(7):1420. DOI: 10.3390/agronomy11071420

34. Silva S., Pinto-Carnide O., Martins-Lopes P., Matos M., Guedes-Pinto H., Santos C. Differential aluminium changes on nutrient accumulation and root differentiation in an Al sensitive vs. tolerant wheat. Environmental and Experimental Botany. 2010;68(1):91-98. DOI: 10.1016/j.envexpbot.2009.10.005

35. Sperotto R.A., Vasconcelos M.W., Grusak M.A., Fett J.P. Effects of different Fe supplies on mineral partitioning and remobilization during the reproductive development of rice (Oryza sativa L.). Rice. 2012;5(1):27. DOI: 10.1186/1939-8433-5-27

36. White P.J., Broadley M.R. Biofortifying crops with essential mineral elements. Trends in Plant Science. 2005;10(12):586-593. DOI: 10.1016/j.tplants.2005.10.001