Генетическое разнообразие дикого ячменя (Hordeum spontaneum K. Koch) по устойчивости к токсичным ионам алюминия

Актуальность. Для культивируемого вида ячменя проблема устойчивости к алюминиевой токсичности почв весьма актуальна. В нашей стране площадь кислых почв составляет около сорока процентов от общей площади пашни, поэтому токсичность алюминия является одним из основных факторов, снижающих урожайность ячменя. Изучение диких родичей основных сельскохозяйственных культур, в том числе и ячменя, представляет значительный интерес для создания стрессоустойчивых сортов. Дикий ячмень Hordeum spontaneum K. Koch имеет схожие биологические признаки с культурным H. vulgare L., произрастает в различных эколого-географических зонах, хорошо адаптирован к местным почвенно-климатическим условиям. Все это позволяет использовать его как новый источник исходного материала для селекции высокоурожайных, адаптированных к условиям внешней среды сортов. Цель работы – поиск высокоустойчивых генотипов H. spontaneum к ионной (Al3+) токсичности.
Материалы и методы. Исследовали 100 образцов H. spontaneum из коллекции Всероссийского института генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова (ВИР). Устойчивость образцов ячменя к токсичным ионам алюминия изучали на ранних этапах развития растений методом корневого теста (185 мкM Al3+, pH 4,0) с определением индексов длины корня и ростка.
Результаты и выводы. Изученный фрагмент коллекции дикого ячменя отличается большим генетическим разнообразием по уровню устойчивости к фитотоксичным ионам алюминия. Лабораторная оценка ячменя позволила выделить генотипы, различающиеся по реакции корня и ростка на ранних фазах онтогенеза. Выделенные генотипы с высоким уровнем устойчивости к ионному стрессу можно использовать как ценный источник генетического материала для улучшения уже существующих сортов и создания новых путем интрогрессии чужеродных генов устойчивости.

1. Ahmed I.M., Nadira U.A., Qiu C.W., Cao F., Zhang G., Holford P. et al. Tolerance to drought, low pH and Al combined stress in Tibetan wild barley is associated with improvement of ATPase and modulation of antioxidant defense system. International Journal of Molecular Sciences. 2018;19(11):3553. DOI: 10.3390/ijms19113553

2. Azamparsa M.R., Karakaya A., Ergün N., Sayim I., Murat Duran R., Özbek K. Identification of barley landraces and wild barley (Hordeum spontaneum) genotypes resistant to Rhynchosporium commune. Tarım Bilimleri Dergisi = Journal of Agricultural Sciences. 2018;25(4):530-535. DOI: 10.15832/ankutbd.441916

3. Байметов K.И., Абдуллаев Ф.X. Состояние дикорастущих сородичей ячменя (Hordeum L.) в Узбекистане. Academic Research in Educational Sciences. 2021;2(12):1085-1095. DOI: 10.24412/2181-1385-2021-12-1085-1095

4. Cai S., Wu D., Jabeen Z., Huang Y., Huang Y., Zhang G. Genomewide association analysis of aluminum tolerance in cultivated and Tibetan wild barley. PLoS One. 2013;8(7):e69776. DOI: 10.1371/journal.pone.0069776

5. Dawson I.K., Russell J., Powell W., Steffenson B., William T.B. Thomas W.T.B. et al. Barley: a translational model for adaptation to climate change. New Phytologist. 2015;206(3):913-931. DOI: 10.1111/nph.13266

6. Dreiseitl A. Heterogeneity of powdery mildew resistance revealed in accessions of the ICARDA wild barley collection. Frontiers in Plant Science. 2017;8:202. DOI: 10.3389/fpls.2017.00202

7. Gong X., Li C., Zhang G., Yan G., Lance R., Sun D. Novel genes from wild barley Hordeum spontaneum for barley improvement. In: G. Zhang, C. Li, X. Lui (eds). Advance in Barley Sciences: Proceedings of 11th International Barley Genetics Symposium. Dordrecht: Springer; 2013. p.69-86. DOI: 10.1007/978-94-007-4682-4_6

8. Климашевский Э.Л. Генетический аспект минерального питания растений. Москва: Агропромиздат; 1991.

9. Lei L., Poets A.M., Liu C., Wyant S.R., Hoffman P.J., Carter C.K. et al. Environmental association identifies candidates for tolerance to low temperature and drought. G3 (Bethesda, MD). 2019;9(10):3423-3438. DOI: 10.1534/g3.119.400401

10. Лукьянова М.В., Трофимовская А.Я., Гудкова Г.Н., Терентьева И.А., Ярош Н.П. Культурная флора СССР. Т. 2, ч. 2. Ячмень / под ред. В.Д. Кобылянского, М.В. Лукьяновой. Ленинград: Агропроиздат; 1990.

11. Nevo E., Fu Y.B., Pavlicek T., Khalifa S., Tavasi M., Beiles A. Evolution of wild cereals during 28 years of global warming in Israel. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2012;109(9):3412-3415. DOI: 10.1073/pnas.1121411109

12. Pan W., Shen J., Zheng Z., Yan X., Shou J., Wang W. et al. Overexpression of the Tibetan plateau annual wild barley (Hordeum spontaneum) HsCIPKs enhances rice tolerance to heavy metal toxicities and other abiotic stresses. Rice (New York, NY). 2018;11(1):51. DOI: 10.1186/s12284-018-0242-1

13. Приказюк Е.Г., Смекалова Т.Н. Особенности распространения разновидностей дикого ячменя (Hordeum spontaneum C. Koch) в связи с проблемой происхождения вида. Успехи современного естествознания. 2013;(8):27.

14. Shen Q., Yu J., Fu L., Wu L, Dai F., Jiang L. et al. Ionomic, metabolomic and proteomic analyses reveal molecular mechanisms of root adaption to salt stress in Tibetan wild barley. Plant Physiology and Biochemistry. 2018;123:319-330. DOI: 10.1016/j.plaphy.2017.12.032

15. Thormann I., Reeves P., Reilley A., Engels J.M.M., Lohwasser U, Börner A. et al. Geography of genetic structure in barley wild relative Hordeum vulgare subsp. spontaneum in Jordan. PLoS One. 2016;11(8):e0160745. DOI: 10.1371/journal.pone.0160745

16. Трофимовская А.Я. Ячмень. Ленинград: Колос; 1972.

17. Wang X., Chen Z.H., Yang C., Zhang X., Jin G., Chen G. et al. Genomic adaption to drought in wild barley is driven by edaphic natural selection at the Tabigha Evolution Slope. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2018;115(20):5223-5228. DOI: 10.1073/pnas.1721749115

18. Wu D., Qiu L., Xu L., Ye L., Chen M., Sun D. et al. Genetic variation of HvCBF genes and their association with salinity tolerance in Tibetan annual wild barley. PLoS One. 2011;6(7):e22938. DOI: 10.1371/journal.pone.0022938

19. Яковлева О.В. Алюмоустойчивость пивоваренного ячменя. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2021;182(4):126-131. DOI: 10.30901/2227-8834-2021-4-126-131

20. Яковлева О.В. Фитотоксичность ионов алюминия. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2018;179(3):315-331. DOI: 10.30901/2227-8834-2018-3-315-331

21. Яковлева О.В., Капешинский А.М., Ковалева О.Н. Устойчивость культурного и дикого ячменя к действию токсичных ионов алюминия. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2009;165:51-54.