Сравнительная оценка содержания фотосинтетических пигментов у представителей внутривидовых таксонов Pisum sativum L.

Актуальность. Повышение содержания фотосинтетических пигментов (ФП) и продление времени их функционирования обеспечивают растениям увеличение урожайности и устойчивости к абиотическим стрессорам. Для гороха это особенно актуально вследствие широкого внедрения в производство безлисточковых сортов. На ряде культур, в том числе и на горохе, описаны гомологи гена STAY-GREEN, мутации в котором позволяют листьям фотосинтезировать более продолжительное время. Поиск вариантов генов, определяющих высокое содержание ФП на протяжении всего периода вегетации гороха, можно рассматривать в качестве потенциального ресурса роста урожайности культуры.

Материалы и методы. Определяли содержание ФП в прилистниках на первом продуктивном узле в начале и в конце периода налива семян у 21 образца гороха из коллекции ВИР. Образцы разного селекционного статуса относились к пяти подвидам Pisum sativum L. Исследования проводили в 2016, 2017, 2022 г. в лаборатории физиологии растений Федерального научного центра зернобобовых и крупяных культур (г. Орел, Россия).

Результаты и заключение. Выявлен значительный полиморфизм образцов по содержанию ФП. Образец к-3370 дикого подвида P. sativum subsp. elatius (Bieb.) Schmalh. отличался стабильно высоким в сравнении с современными сортами содержанием хлорофиллов a и b и каротиноидов и более длительным их функционированием. Сопоставимые результаты показали примитивные формы из культивируемых подвидов transcaucasicum Makash. и asiaticum Govorov. Поскольку проанализированные образцы представляют собой первичный генпул вида P. sativum, изучаемый признак может быть передан создаваемым сортам.

1. Armstead I., Donnison I., Aubry S., Harper J., Hörtensteiner S., James C. et al. Cross-species identification of Mendel’s I locus. Science. 2007;315(5808):73. DOI: 10.1126/science.1132912

2. Бобков С.В., Башкирова К.А. Содержание фотосинтетических пигментов в различных органах растений дикого и культурного гороха. Зернобобовые и крупяные культуры. 2021;4(40):15-23. DOI: 10.24412/2309-348X-2021-4-15-23

3. Бобков С.В., Бычков И.А. Содержание фотосинтетических пигментов в онтогенезе культурного гороха. Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2021;4(60):4-14. DOI: 10.12737/2073-0462-2021-10-14

4. Бобков С.В., Бычков И.А. Содержание фотосинтетических пигментов и активность ферментов окислительного стресса у диких образцов гороха. Земледелие. 2018:(4):29-33. DOI: 10.24411/0044-3913-2018-10409

5. Chen J., Zhou H., Yuan X., He Y., Yan Q., Lin Y. et al. Homolog of pea SGR controls stay-green in faba bean (Vicia faba L.). Genes (Basel). 2023;14(5):1030. DOI: 10.3390/genes14051030

6. Cohen J. Statistical power analysis for the behavioral sciences. 2nd ed. New York, NY: Routledge; 1988. DOI: 10.4324/9780203771587

7. Davis J.G., Myers J.R., McClean P.E., Lee R. Staygreen (SGR), a candidate gene for the persistent color phenotype in common bean. Acta Horticulturae. 2010;859:99-102. DOI: 10.17660/ActaHortic.2010.859.10

8. Дымова О.В., Головко Т.К. Фотосинтетические пигменты: функционирование, экология, биологическая активность. Известия Уфимского научного центра РАН. 2018;(3-4):5-16.

9. Говоров Л.И. Pisum L. – Горох. В кн.: Культурная флора СССР. Т. IV. Зерновые бобовые / под ред. Н.А. Базилевской, Е.И. Барулиной. Москва; 1937. С.229-336.

10. Harpaz-Saad S., Azoulay T., Arazi T., Ben-Yaakov E., Mett A., Shiboleth Y.M. et al. Chlorophyllase is a rate-limiting enzyme in chlorophyll catabolism and is posttranslationally regulated. The Plant Cell. 2007;19(3):1007-1022. DOI: 10.1105/tpc.107.050633

11. Kof E.M., Kondykov I.V. Pea (Pisum sativum L.) growth mutants. International Journal of Plant Developmental Biology. 2007;1(1):141-146.

12. Kosterin O.E. On three cultivated subspecies of pea (Pisum sativum L.). Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2007;21(6):694-700. DOI: 10.18699/VJ17.287

13. Kosterin O.E., Bogdanova V.S. Relationship of wild and cultivated forms of Pisum L. as inferred from an analysis of three markers of the plastid, mitochondrial and nuclear genomes. Genetic Resources and Crop Evolution. 2008;55(5):735-755. DOI: 10.1007/s10722-007-9281-y

14. Lichtenthaler H.K. Chlorophylls and carotenoids: pigments of photosynthetic biomembranes. Methods in Enzymology. 1987;148:350-382. DOI: 10.1016/0076-6879(87)48036-1

15. Макашева Р.Х. Культурная флора СССР. Т. 4. Зерновые бобовые культуры. Часть 1. Горох. Ленинград: Колос; 1979.

16. Ney B., Duthion C., Fontaine E. Timing of reproductive abortions in relation to cell division, water content, and growth of pea seeds. Crop Science. 1993;33(2);267-270. DOI: 10.2135/cropsci1993.0011183X003300020010x

17. Новикова Н.Е., Косиков А.О., Бобков С.В., Зеленов А.А. Влияние регуляторов роста и поздней некорневой подкормки удобрениями на урожайность и белковую продуктивность. Агрохимия. 2017;(1):32-40.

18. Porra R.J. The chequered history of the development and use of simultaneous equations for the accurate determination of chlorophylls a and b. Photosynthesis Research. 2002;73(1-3):149-156. DOI: 10.1023/A:1020470224740

19. Sato Y., Morita R., Nishimura M., Yamaguchi H., Kusaba M. Mendel’s green cotyledon gene encodes a positive regulator of the chlorophyll-degrading pathway. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2007;104(35):14169-14174. DOI: 10.1073/pnas.0705521104

20. Schrank F.P. Flora Monacensis. Vol. 4. Munich; 1818. Shi S., Miao H., Du X., Gu J., Xiao K. GmSGR1, a stay-green gene in soybean (Glycine max L.), plays an important role in regulating early leaf-yellowing phenotype and plant productivity under nitrogen deprivation. Acta Physiologiae Plantarum. 2016;38(4):97. DOI: 10.1007/s11738-016-2105-y

21. Shimoda Y., Ito H., Tanaka A. Arabidopsis STAY-GREEN, Mendel’s green cotyledon gene, encodes magnesium-dechelatase. The Plant Cell. 2016;28(9):2147-2160. DOI: 10.1105/tpc.16.00428

22. Sinjushin A., Semenova E., Vishnyakova M. Usage of morphological mutations for improvement of a garden pea (Pisum sativum): the experience of breeding in Russia. Agronomy. 2022;12(3):544. DOI: 10.3390/agronomy12030544

23. Sivasakthi К., Marques E., Kalungwana N., Carrasquilla-Garcia N., Chang P.L., Bergmann E.M. et al. Functional dissection of the chickpea (Cicer arietinum L.) stay-green phenotype associated with molecular variation at an ortholog of Mendel’s I gene for cotyledon color: implications for crop production and carotenoid biofortification. International Journal of Molecular Sciences. 2019;20(22):5562. DOI: 10.3390/ijms20225562

24. Szafrańska K., Reíter R.J., Posmyk M.M. Melatonin improves the photosynthetic apparatus in pea leaves stressed by paraquat via chlorophyll breakdown regulation and its accelerated de novo synthesis. Frontiers in Plant Science. 2017;8:878. DOI: 10.3389/fpls.2017.00878

25. Вишнякова М.А., Яньков И.И., Булынцев С.В., Буравцева Т.В., Петрова М.В. Горох, бобы, фасоль… Сорта. Выращивание. Хранение. Применение. Санкт-Петербург: Агропромиздат; 2001.

26. Wang Q., Xie W., Xing H., Yan J., Meng X., Li X. et al. Genetic architecture of natural variation in rice chlorophyll content revealed by a genome-wide association study. Molecular Plant. 2015;8(6):946-957. DOI: 10.1016/j.molp.2015.02.014

27. Wong A.C.S., van Oosterom E.J., Godwin I.D., Borrell A.K. Integrating stay-green and PIN-FORMED genes: PIN-FORMED genes as potential targets for designing climate-resilient cereal ideotypes, AoB PLANTS. 2023;15(4):plad040. DOI: 10.1093/aobpla/plad040

28. Зеленов А.Н. Потенциал гетерофильной формы гороха и пути его реализации. Аграрная Россия. 2011;(3):13-16.

29. Zhao Y., Qiang C., Wang X., Chen Y., Deng J., Jiang C. et al. New alleles for chlorophyll content and stay-green traits revealed by a genome wide association study in rice (Oryza sativa). Scientific Reports. 2019;9(1):2541. DOI: 10.1038/s41598-019-39280-5

30. Zhou C., Han L., Pislariu C.I., Nakashima J., Fu C., Jiang Q. et al. From model to crop: functional analysis of a STAY-GREEN gene in the model legume Medicago truncatula and effective use of the gene for alfalfa improvement. Plant Physiology. 2011;157(3):1483-1496. DOI: 10.1104/pp.111.185140