Изменение метаболомных профилей Triticum aestivum L. под влиянием ионов алюминия

Актуальность. Al³⁺ вызывает нарушение роста и развития растений, что приводит к снижению урожайности главных сельскохозяйственных культур. Выявление метаболитов – маркеров алюмотолерантности пшеницы является актуальной и перспективной задачей предселекционной работы, в том числе по созданию сортов с комплексной устойчивостью к стрессорам.

Материалы и методы. Материалом для исследования являлись 20 образцов озимой мягкой пшеницы из коллекции ВИР. Исходный материал прошел полевое изучение на устойчивость к биотическим и абиотическим факторам перезимовки с 2007 по 2019 г. в условиях Северо-Западного региона РФ (г. Пушкин). Изучение алюмоустойчивости образцов Triticum aestivum L. проводилось на ранних этапах развития растений методом в модификации И. Н. Косаревой. Метаболомные профили контрольной (КГ) и опытной групп (ОГ) образцов корешков пшеницы исследовали методом неспецифического метаболомного профилирования с использованием газовой хроматографии, сопряженной с масс-спектрометрией (Agilent 6850A, США).

Результаты. Анализ показал, что Al⁺³ стимулируют накопление отдельных свободных аминокислот, снижают интенсивность обмена углеводов, большинства жирных кислот, простых фенольных соединений фенилпропаноидного пути. В опытных образцах корешков проростков пшеницы превалировали гетероароматические фенолы, терпены, фитостеролы, олигосахара, моноацилглицерол, производные органических и фосфорной кислот по сравнению с контрольной группой.

Заключение. Полученные результаты позволят выделять образцы пшеницы с наиболее выраженными защитными механизмами по отношению к Al³⁺ для дальнейшего использования в селекционных программах, направленных на получение высокоурожайных алюмотолерантных сортов пшеницы.

1. Амосова Н.В., Николаева О.Н., Сынзыныс Б.И. Механизмы алюмотолерантности у культурных растений (обзор). Сельскохозяйственная биология. 2007;(1):36-42.

2. Anioł A. Genetics of acid tolerant plant. In: R.J. Wright, V.C. Baligar, R.P. Murrmann (eds). Developments in Plant and Soil Sciences. Vol. 45. Plant-Soil Interactions at Low pH. Dordrecht: Springer; 1991. p.1007-1017. DOI: 10.1007/978-94-011-3438-5_113

3. Авдонин Н.С. Влияние свойств почв и удобрений на качество растений. Москва: МГУ; 1966.

4. Baligar V.C., Fageria N.K., Elrashidi M.A. Toxicity and nutrient constraints on root growth. HortScience. 1998;33(6): 960-965. DOI: 10.21273/HORTSCI.33.6.960

5. Chakraborty N., Das A., Pal S., Roy S., Sil S.K., Adak M.K. et al. Exploring aluminum tolerance mechanisms in plants with reference to rice and Arabidopsis: a comprehensive review of genetic, metabolic, and physiological adaptations in acidic soils. Plants (Basel). 2024;13(13):1760. DOI: 10.3390/plants13131760

6. Cosic T., Poljak M., Custic M., Rengel Z. Aluminium tolerance of durum wheat germplasm. Euphytica. 1994;78:239-243. DOI: 10.1007/BF00027522

7. Cury N.F., Silva R.C.C., de S. Fayad-André M., Fontes W., Ricart C.A.O., Castro M.S. et al. Root proteome and metabolome reveal a high nutritional dependency of aluminium in Qualea grandiflora Mart. (Vochysiaceae). Plant and Soil. 2020:446(10):125-143. DOI: 10.1007/s11104-019-04323-3

8. Emebiri L.C. Genetic variation and possible SNP markers for breeding wheat with low‐grain asparagine, the major precursor for acrylamide formation in heat-processed products. Journal of the Science for Food and Agriculture. 2014;94(7):1422-1429. DOI: 10.1002/jsfa.6434

9. Федеральная служба государственной статистики (Росстат): [сайт]. URL: https://rosstat.gov.ru [дата обращения: 01.06.2025].

10. Grevenstuk T., Moing A., Maucourt M., Deborde C., Romano A. Aluminium stress disrupts metabolic performance of Plantago almogravensis plantlets transiently. Biometals. 2015;28(6):997-1007. DOI: 10.1007/s10534-015-9884-2

11. 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

12. Иванов А.Л., Столбовой В.С., Гребенников А.М., Оглезнев А.К., Петросян Р.Д., Шилов П.М. Ранжирование кислых почв по приоритетности проведения известкования в Российской Федерации. Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2020;(103):168-187. DOI: 10.19047/0136-1694-2020-103-168-187

13. Kochian L.V., Hoekenga O.A., Pineros M.A. How do crop plants tolerate acid soils? Mechanisms of aluminum tolerance and phosphorous efficiency. Annual Review of Plant Biology. 2004;55(1):459-493. DOI: 10.1146/annurev.arplant.55.031903.141655

14. Косарева И.А., Давыдова Г.В., Семенова Е.В. Методические указания по определению кислотоустойчивости зерновых культур. Санкт-Петербург: ВИР; 1995.

15. Лисицын Е.М., Амунова О.С. Работа генетических систем пшеницы в зависимости от пути поступления алюминия в растение. Аграрная наука Евро-Северо-Востока. 2017;6(61):8-15.

16. Лысенко Н.C., Лосева В.А., Митрофанова О.П. Зимостойкость мягкой пшеницы коллекции ВИР в условиях Северо-Западного и Центрально-Черноземного регионов России. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2019;180(3):41-49. DOI: 10.30901/2227-8834-2019-3-41-49

17. Лысенко Н.С., Малышев Л.Л., Пузанский Р.К., Шаварда А.Л., Шеленга Т.В. Биомаркеры алюмотолерантности у зимостойких форм Triticum aestivum L. из коллекции ВИР им. Н.И. Вавилова Сельскохозяйственная биология. 2024;59(1):116-130. DOI: 10.15389/agrobiology.2024.1.116rus

18. Ma J.F., Ryan P.R., Delhaize E. Aluminium tolerance in plants and the complexing role of organic acids. Trends in Plant Science. 2001;6(6):273-278. DOI: 10.1016/s1360-1385(01)01961-6

19. Mashabela M.D., Piater L.A., Steenkamp P.A., Dubery I.A., Tugizimana F., Mhlongo M.I. Comparative metabolite profiling of wheat cultivars (Triticum aestivum) reveals signatory markers for resistance and susceptibility to stripe rust and aluminium (Al3+) toxicity. Metabolites. 2022;12(2):98. DOI: 10.3390/metabo12020098

20. Matsumoto H. Cell biology of aluminum toxicity and tolerance in higher plants. International Review of Cytology. 2000;200:1-46. DOI: 10.1016/S0074-7696(00)00001-2

21. Navakode S., Weidner A., Lohwasser U., Röder M., Börner A. Molecular mapping of quantitative trait loci (QTLs) controlling aluminium tolerance in bread wheat. Euphytica. 2009;166(2):283-290. DOI: 10.1007/s10681-008-9845-8

22. Riede C.R., Anderson J.A. Linkage of RFLP markers to an aluminum tolerance gene in wheat. Crop Science. 1996;36(4):905-909. DOI: 10.2135/cropsci1996.0011183X0036000400015x

23. Singh S., Parihar P., Singh R., Singh V.P., Prasad S.M. Heavy metal tolerance in plants: Role of transcriptomics, proteomics, metabolomics, and ionomics. Frontiers in Plant Science. 2016;6:1143. DOI: 10.3389/fpls.2015.01143

24. Sivaguru M., Fujiwara T., Samaj J., Baluska F., Yang Z., Osawa H. et al. Aluminum-induced 1→3-beta-d-glucan inhibits cell-to-cell trafficking of molecules through plasmodesmata. A new mechanism of aluminum toxicity in plants. Plant Physiology. 2000;124(3):991-1006. DOI: 10.1104/pp.124.3.991

25. Wang J., Su C., Cui Z., Huang L., Gu S., Jiang S. et al. Transcriptomics and metabolomics reveal tolerance new mechanism of rice roots to Al stress. Frontiers in Genetics. 2023;13:1063984. DOI: 10.3389/fgene.2022.1063984

26. Wang Y., Cheng J., Wei S., Jiang W., Li Y., Guo W. et al. Metabolomic study of flavonoids in Camellia drupifera under aluminum stress by UPLC-MS/MS. Plants (Basel). 2023;12(7):1432. DOI: 10.3390/ plants12071432

27. Yamamoto A., Umemoto E., Itoh M., Matsui M., Fujimura N., Furuya S. Reduction of ammonia emission from growing pig rooms by feeding a lower protein diet supplemented with apple pomace. Animal Science Journal. 2002;73(6):505-508. DOI: 10.1046/j.1344-3941.2002.00069.x

28. 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

29. Yang G., Wei Q., Huang H., Xia J. Amino acid transporters in plant cells: a brief review. Plants (Basel). 2020;9(8):967. DOI: 10.3390/plants9080967