Нуклеотидный полиморфизм генов, определяющих солеустойчивость многолетних видов люцерны тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.02.07, кандидат наук Вишневская, Мария Сергеевна

• Вишневская, Мария Сергеевна
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Вишневская, Мария Сергеевна

Оглавление

стр.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СПЕЦИФИКА СОЛЕВОГО СТРЕССА, СТРАТЕГИИ ВЫЖИВАНИЯ РАСТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ЗАСОЛЕНИЯ И ГЕНЫ, ОБУСЛАВЛИВАЮЩИЕ

ВЫЖИВАНИЕ РАСТЕНИЙ (обзор литературы)

1.1. Засоление почв, адаптивные стратегии растений

1.2. Генетический контроль адаптации растений к засолению

1.3. Культура люцерны

Заключение к Главе 1

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Объект исследований. Род Medicago L

2.2. Методы оценки образцов люцерны на солеустойчивость

2.3. Методы молекулярно-генетического анализа

ГЛАВА 3. ОЦЕНКА СОЛЕУСТОЙЧИВОСТИ ОБРАЗЦОВ ЛЮЦЕРНЫ В

ВЕГЕТАЦИОННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ

3.1. Влияние засоления на прорастание семян

3.2. Влияние засоления на морфометрические показатели в микровегетационном эксперименте

3.3. Влияние засоления на морфометрические показатели и

коэффициент угнетения в вегетационном эксперименте

Заключение к Главе 3

ГЛАВА 4. ВЫЯВЛЕНИЕ В ГЕНОМЕ М. sativa ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ

ДНК, ОРТОЛОГИЧНЫХ ГЕНАМ SrlkwZpt2-l, КЛОНИРОВАННЫХ ДЛЯ

М. truncatula

4.1. Ген-кандидат Srlk (Salt-Induced Receptor-Like Kinase)

4.2. Ген-кандидат Zpt2-1 (TFIIIA-like transcription factor)

4.3. Оценка уровня экспрессии гена рецепторной киназы Srlk у солечувствительного и солеустойчивого образцов многолетней

люцерны в условиях засоления

ГЛАВА 5. НУКЛЕОТИДНЫЙ ПОЛИМОРФИЗМ ГЕНА-КАНДИДАТА Бг1к,

КОНТРОЛИРУЮЩЕГО РЕАКЦИЮ ЛЮЦЕРНЫ НА ЗАСОЛЕНИЕ

ГЛАВА 6. ВЫЯВЛЕНИЕ АССОЦИАЦИИ МЕЖДУ НУКЛЕОТИДНЫМ

ПОЛИМОРФИЗМОМ ГЕНОВ-КАНДИДАТОВ И УСТОЙЧИВОСТЬЮ

ЛЮЦЕРНЫ К ЗАСОЛЕНИЮ

6.1. Структура аллельного разнообразия генов Бг1к и Zpt2-l в анализируемой выборке растений люцерны и ее ассоциация с выживаемостью в условиях засоления

6.2. Ассоциация выявленных в последовательностях генов Бг1к и Zpt2-l, с показателями солеустойчивости

6.3. Разработка аллель-специфичных маркеров для ЭИР гена Бг1к, ассоциированных с адаптивностью растений люцерны в условиях

засоления

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВЫВОДЫ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Нуклеотидный полиморфизм генов, определяющих солеустойчивость многолетних видов люцерны»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Засоление возделываемых почв является одним из наиболее распространенных деградационных процессов, понижающих плодородие сельскохозяйственных земель, приводящих к опустыниванию и выключению данных территорий из использования. По данным Международного института окружающей среды и развития около 10% поверхности континентов страдает от засоления. В России засоленные почвы занимают 5% площади почв равнин (Казакова, 2007).

Для эффективного восстановления деградированных земель перспективным является использование растений-биомелиорантов, среди которых виды бобовых имеют приоритетное значение, так как обладают уникальной способностью повышать почвенное плодородие за счет накопления атмосферного азота вследствие симбиоза с клубеньковыми бактериями. Люцерна является важной сидератной культурой, выращиваемой на обширных территориях многих стран (Голобородько, 2009). Помимо симбиотических отношений с азотфиксирующими бактериями, культура люцерны способствует снижению уровня грунтовых вод и рассолению почв.

Создание новых сортов люцерны с повышенным адаптационным потенциалом, пригодных к возделыванию на засоленных почвах, и усовершенствование существующих сортов, становиться все более актуальной задачей для селекции. В этой связи особое внимание уделяется естественному разнообразию аллелей генов, контролирующих устойчивость к засолению, которое представлено в природных популяциях и образцах коллекций генбанков. Анализ естественного разнообразия аллелей генов, контролирующих устойчивость к засолению, представленное в коллекции образцов люцерны генбанка ВИР им. Н.И. Вавилова, представляет первостепенный интерес для селекции солеустойчивых сортов.

Механизмы ответа растения на солевой стресс в последние годы детально изучались на модельном объекте МесИса§о Кипсаш1а ОаеПп.

(Merchan et al., 2003; 2007; Lorenzo et al., 2009). Существование генотипов, контрастно отличающихся друг от друга по степени солеустойчивости, позволило предположить, что данный признак обуславливается несколькими ключевыми генами (Merchan et al., 2003). Большинство исследований было посвящено изучению изменения уровня экспрессии генов, вовлеченных в формирование ответной реакции, после кратковременного воздействия стрессового фактора. Для модельного вида идентифицированы гены-кандидаты, участвующие в формировании адаптивной, реакции растения на засоление. Сходная организация (синтения) геномов бобовых позволяет использовать знания, полученные для модельного вида М. trimcatula, в целях идентификации генов солеустойчивости у экономически значимых многолетних видов люцерны.

Цель исследования. Цель исследования заключалась в выявлении

аллельного разнообразия генов, определяющих устойчивость люцерны к

хлоридному засолению, для последующего использования в маркер/

вспомогательной селекции.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. На материале мировой коллекции ВИР подобрать выборку генотипов Medicago L. из разных эколого-географических зон произрастания, потенциально отражающих внутри и межвидовое генетическое разнообразие.

2. Оценить образцы на солеустойчивость в вегетационных экспериментах; получить физиологические характеристики 'образцов (содержание поглощенных ионов Na+/K+, концентрации хлорофиллов a, b и каротиноидов, определить степень угнетения растений).

3. Идентифицировать в геноме видов Medicago гены-ортологи, формирующие защитную реакцию на засоление, клонированные для модельного вида М. truncatida.

4. Оценить уровень экспрессии гена Srlk в корнях и листьях у

солечувствительного и солеустойчивого образцов в условиях засоления субстрата и контрольных условиях.

5. Секвенировать последовательности генов-кандидатов в изучаемой выборке растений, выявить их нуклеотидный полиморфизм.

6. Сопоставить выявленные аллельные варианты генов-кандидатов с показателями солеустойчивости в выборке фенотипированных образцов люцерны.

7. Разработать на потенциально перспективные аллели молекулярные маркеры для последующего массового скрининга образцов.

Научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Впервые на основе синтении геномов бобовых растений у важнейшей кормовой и мелиоративной культуры люцерны посевной идентифицирована последовательность гена рецепторной протеинкиназы Бг1к и активируемого им транскрипционного фактора Zpt2-l, чья ключевая роль в реакции на солевой стресс доказана для модельного вида М. ШтсаШ1а.

На выборке из 18 образцов многолетней люцерны мировой коллекции ВИР, имеющих различное географическое происхождение, тестированных на выживаемость в условиях солевого стресса, проанализирован нуклеотидный полиморфизм генов БНк и Zpt2-L

Экспериментально установлено, что в условиях солевого стресса уровень экспрессии гена 8г1к в корнях солеустойчивого сорта люцерны изменчивой достоверно выше, чем в контроле. У солечувствительного образца многолетней люцерны уровень экспрессии гена Бг1к в корнях ниже, по сравнению с контролем.

Впервые в последовательности генов Бг1к и Zpt2-l, выявлены несинонимичные БЫР, достоверно ассоциированные со способностью растений восстанавливать рост и развитие корневой системы в условиях солевого стресса.

На потенциально значимые несинонимичные нуклеотидные замены впервые разработаны молекулярные маркеры, которые могут быть использованы при массовом скрининге селекционного материала для выявления генотипов люцерны с повышенной устойчивостью к засолению.

По результатам физиологических экспериментов на солеустойчивость образец M. varia к-25782 сорт Тибетская и M. coerulea к-12821 из Дагестана определены как наиболее солеустойчивые и рекомендованы как источники ценных аллелей для селекции сортов с повышенным адаптивным потенциалом.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

1. В геноме многолетних видов люцерны идентифицированы ортологи генов Srlk и Zpt2-1, клонированных для модельного вида M. truncatula.

2. Уровень экспрессии гена Srlk в корнях солеустойчивого сорта люцерны изменчивой достоверно повышается в ответ на солевой стресс.

3. В последовательности генов Srlk и Zpt2-1 выявлены несинонимичные SNP, достоверно ассоциированные со способностью растений люцерны выживать и восстанавливать ростовые процессы в условиях засоления.

ГЛАВА 1. СПЕЦИФИКА СОЛЕВОГО СТРЕССА, СТРАТЕГИИ ВЫЖИВАНИЯ РАСТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ЗАСОЛЕНИЯ И ГЕНЫ, ОБУСЛАВЛИВАЮЩИЕ ВЫЖИВАНИЕ РАСТЕНИЙ (обзор литературы)

1.1. Засоление почв, влияние на растения, адаптивные стратегии

Засоление почв делает их непригодными для использования в сельском хозяйстве, сильное засоление ведет к исчезновению аборигенной растительности, и, как следствие, опустыниванию. Во всем мире проявления вторичного засоления наблюдаются на 40-50 % площади орошаемых земель. Эти земли дают сниженную продукцию или выпадают из земледелия полностью. В Индии площадь вторично засоленных почв превышает 7 млн га; более 2,5 млн га почв разной степени засоленности встречаются в Пакистане в провинции Пенджаб, что составляет 26-27 % ее территории; в провинции Синд - 5,2 млн га (98 % от территории провинции) (El-Gabaly, 1977). В Австралии (Северная Виктория) засоленные почвы занимают 80 тыс. га (Pels, 1975). В Аргентине (Патагония) 40 тыс. га земель, возделываемых с XIX века, засолены на 50%, вследствие неправильного орошения (Bergmann, 1971). Вторичное засоление и щелочность почв являются серьезной проблемой в западной части США (около 4 млн акров). Сильное засоление орошаемых территорий наблюдается в Китае, Иране, Алжире, Сенегале и Тунисе. Развитие вторичного засоления характерно и для некоторых районов юго-востока Европейской части России, Закавказья и Средней Азии (Лопатовская, 2010).

Засоление почвы может обуславливаться повышенным содержанием в почвенном растворе легкорастворимых солей. Оно может быть первичным (накопление солей в почве в результате испарения грунтовых вод, соленосности материнских пород и эолового переноса) и вторичным (например, при неправильном орошении). Растворимые соли находятся в почве в составе твердых фаз или почвенного поглощающего комплекса. При этом, соли могут быть как токсичными для растения, так и нейтральными.

Токсичными для растений являются хлориды (NaCl, СаС12, MgCl2), сульфаты (Na2S04, MgS04), карбонаты (Na2C03, NaHC03) и нитраты (NaN03, KN03). По воздействию на растения соли располагаются в следующем порядке по степени убывания угнетающего действия: Na2C03 —>NaHC03 —»NaCl —>NaN03 —>СаС12 —>Na2S04 —>MgCl2 —>MgSC>4. К нетоксичным солям относятся СаС03, CaSC>4*2H2C), Са(НС03)2. Хлоридное засоление (хлорид натрия) является одним из наиболее токсичных для растений (после карбонатного) и распространенных на сельскохозяйственных почвах (Лопатовская, 2010).

Засоление почвы вызывает у растений повреждение в первую очередь тканей корней, приводя к остановке роста и развития корневой системы. Адаптация растения может происходить за счет восстанавления пролиферационной активности или вторичной закладки апикальной меристемы корня, либо активации роста боковых корней, отличающихся по степени чувствительности к засолению от главного корня (Merchan et al., 2003).

Пагубное действие засоления на растения заключается в ряде аспектов. Повышенная концентрация ионов в прикорневой зоне вызывает отток воды из клеток тканей растения, тем самым обуславливая осмотический стресс, приводящий к торможению роста и усыханию растения (Бондарева, 2013). Поглощение растением избыточных ионов натрия и хлора приводит к токсическому стрессу, нарушению протекания биохимических реакций, выражающемся в разрушении хлорофилла, пожелтении и обесцвечивании листьев, нарушении транспирации и фотосинтеза, гибели растения. При этом небольшие концентрации соли в прикорневой зоне обуславливают повышение содержания хлорофилла в листьях растений (Winicov end Button 1991; Locy et al. 1996), тогда как высокая концентрация соли приводит к снижению концентрации (Malibari et al., 1993; Salama et al.,1994). Показано, что корреляция между изменением концентрации хлорофилла и степенью

засоления видоспецифична, а также определяется индивидуальными особенностями растения (Ashraf, 2003). Результатом избыточного содержания ионов натрия и хлора в почвенном растворе также является их успешная конкуренция при поступлении в клетки растения с ионами К+, Са2+ и Mg2+, что вызывает метаболический стресс и ведет к угнетению роста, нарушению работы устьичного аппарата и гибели растения (Ковда, 1973; Bernstain, 1964; Hasegawa et al., 2000a; Sanders, 2000; Zhu, 2000).

У растений выявлено несколько адаптивных механизмов к повышенной концентрации соли в почве и регуляции этих механизмов в период солевого стресса (Hasegawa et al., 20006). Растения подразделяются на несколько групп по генетически обусловленной реакции на солевой стресс (Flowers et al., 1995; Greenway and Munns, 1980). Большинство культур чувствительны или гиперчувствительны (гликофиты) к повышенной концентрации соли в почве. Галофиты, напротив, типичны для соленых почв. Некоторые галофиты способны накапливать избыток соли, благодаря специфическому анатомическому и морфологическому строению, или выводить избыточную соль из клеток и тканей,

У гликофитов и галофитов осмотическая регуляция достигается за счет накопления осмолитов и осмопротекторов (Bohnert, 1995; Bohnert and Jensen, 1996). В качестве осмолитов и осмопротекторов используются синтезированные и также компартментализированные клеткой: глицин-бетаин, жирные кислоты, многоатомные спирты и сахара (маннитол, трегалоза), аминокислоты (пролин) (Yancey, 1994). Цитотоксичные ионы, как правило, ионы Na+ и СГ, компартментализуются в вакуоли и используются как осмолиты, тем самым минимизируя негативное влияние на протекание биохимических процессов, или активно транспортируется через мембрану в межклетники (Hasegawa et al., 2000а, Blumwald et al., 2000; Niu et al., 1995). В результате солеустойчивые генотипы накапливают избыточные ионы натрия и хлора (Croughan et al. 1978; Ashraf et al.,1986). В другом случае, корни

выполняют защитную барьерную функцию, не пропуская избыточного количества ионов солей (Yokoi, 2002).

При засолении цитотоксичным ионом является Na+, который составляет конкуренцию ионам К+ при транспорте через мембрану, и, вследствие значительной концентрации в околоклеточном пространстве, в избытке переносится в клетку. Известно два пути проникновения Na+ в клетку: активный антипорт и транспортная система, регулируемая ионами Са . На данный момент известны основные системы ионного транспорта (salt stress signaling pathway - SOS), обеспечивающих устойчивость растений к солевому стрессу: SOS1 белковый комплекс - Na+ / IT1" антипортер, SOS2-npoTenn киназа и SOS3 белковый комплекс, связывающий ионы кальция. Таким образом, SOS3 белковый комплекс воспринимает изменение концентрации ионов кальция, взаимодействует с SOS2 киназным комплексом, который, в свою очередь, влияет на активность работы SOS1 Na+ / Н+ антипортера (Mahajan and Tuteja, 2005; Manchanda and Garg, 2008) Известно, что ионные транспортные системы играют основную роль в регуляции механизмов солеустойчивости, главным из которых является контроль ионного гомеостаза (Hasewaga et al., 2000а; Sanders, 2000; Zhu, 2000).

Виды растений, способные выживать на засоленной почве, могут использоваться для целей фитомелиорации, если проводить ее параллельно с агротехническими и инженерными приемами восстановления деградированных земель. На первом этапе засоленные почвы засевают растениями-галофитами, в последующие годы производится подсев кормовой культуры с тенденцией к увеличению площади, занимаемой кормовой культурой вплоть до перехода на чистый посев. При средней степени засоления, восстановление почвы с использованием растений-биомелиорантов составляет 4-5 лет, при сильной степени засоления - 6-7 лет (Лопатовская, 2010).

1.2 Генетический контроль адаптации растений к засолению

Большинство исследований в этом направлении посвящено изучению изменения уровня экспрессии генов, вовлеченных в формирование ответной реакции, после кратковременного воздействия стрессового фактора. Не меньше усилий было направлено на выявление механизмов генетического контроля адаптивных процессов при длительном стрессе, также способности растения восстанавливаться при воздействии и после снятия стрессовых условий (Vinocur and Altman, 2005). Изучение процессов восстановления в условиях абиотического стресса (солевого, низкотемпературного) проводилось для нескольких видов растений: риса (Abassi et al., 2004), тополя (Gu et al., 2004), люцерны (Merchan et al., 2007).

Генетические механизмы ответа растения на солевой стресс в последние годы детально изучались на модельных объектах (Hasegawa at al., 2008а; Zhu, 2000). Было установлено, что реакция растения на абиотический стресс на клеточном уровне включает три этапа (Valliyodan and Nguyen, 2006): 1) распознавание стрессовой ситуации рецепторными белками, встроенными в клеточную мембрану, 2) передачу сигнала о воздействии неблагоприятного фактора, 3) активацию экспрессии генов, обеспечивающих ответную защитную реакцию.

У бобовых генетический контроль ответной реакции растений на солевой стресс детально изучался на модельном объекте Medicago truncatula Gaertn. (Merchan et al., 2003; 2007; Lorenzo et al., 2009). Наблюдаемое многообразие генотипов в пределах вида М. truncatula, существенно отличающихся друг от друга по степени солеустойчивости, позволило предположить, что данный признак может контролироваться несколькими ключевыми генами (Merchan et al., 2003). По результатам транскриптомного анализа различных гентипов М. truncatula были идентифицированы гены-кандидаты, участвующие в формировании адаптивной реакции растения на засоление. В частности, при изучении солеустойчивой и солечувствительной

линий М. truncatula (Jemalong и 108R) был идентифицирован транскрипционный фактор MtZpt2-l (TFIIIA-like), регулирующий, как способность растения вступать в симбиотические отношения с азотфиксирующими бактериями за счет образования клубеньков, так и способность корней восстанавливать ростовые процессы после воздействия солевого стресса (Frugier et al., 2000; Merchan et al., 2003). Помимо транскрипционного фактора MtZpt2-l, по результатам транскриптомного анализа был также идентифицирован ген рецепторной протеинкиназы MtSrlk (salt-induced receptor-like kinase), гомолог гена, клонированного у арабидопсиса (At3g28450, http://www.arabidopsis.org). Уровень его экспрессии в корнях растений, способных к выживанию в условиях солевого стресса, достоверно повышался, в отличие от солечувствительных генотипов М. truncatula (Merchan et al., 2007).

Структурные и функциональные особенности гена Srlk у M.truncatula подробно исследованы в работе Lorenzo et al. (2009). Установлено, что сигнальный белок Srlk встроен в клеточную мембрану, имеет три домена: экстрацеллюлярный, воспринимающий сигнал об изменении концентрации ионов в околоклеточном пространстве, трансмембранный домен и интрацеллюлярный, передающий сигнал генам, последующим в цепи восприятия и формирования клеткой ответной реакции на засоление (рис.1).

SP LRRs TM KINASE DOMAIN

NH, U_UlL_LJHHiШ соон

—p. ^-*

Extracellular Intracellular

S'i ICDFVGVTCWNVREMRVLGI.ELKGHKLSGKIPESLKYCG0SLQRLDLGSHSL5SVIPT 116 117 QICEWMF FLVTKDLSGKHLHGEI PUTIVMCSYLNELMLOMKHLTGSI PI TSLTRL.4K? 174

I 7 5 SУЛН«Et.SGDIPSFFKGFDKD<3FOGHSG'LCGGPLCSKCGGMSKKNIjflBH 23?

233 HBAArcL^YHLRL«>BRRRSKECYVVGGVDOWVD№AVRLRGHKL/iOVNLFQK 290

I II

291 PIVKVKLGDLMAATWK : дл|:ЯШ:ДШ.-ДкМ1В111кШВИММ 34®

III IV V

34 9 В ПЯЗ: ВИ8аvкИШ.1 HHftMft ШЯ . ЩЩ---.-g: JgыфкЩ Q: ЩЕШЗаВ '<06

VI« VIb VII

4D7 2002233:Щ:л 1223223 ; В , :■• Ш^ШiiлFS.164

viii_ __ix _x__

465 SflB ЕЯ? Я. ^.Ш^ИЩ» S; tigiHrcg^i ПГ5ВЯ IfdJahlHltttHWIffi Ь22

523 seo

561 |KTTVS PNTKTW FPOLVf QARDE PA 604

Рисунок 1. Схематическое изображение аминокислотной последовательности рецепторной киназы Srlk у M.truncatula по Lorenzo et al. (2009). Показаны внеклеточный (Extracellular), трансмембранный (ТМ) и внутриклеточный (Intracellular) домены. Черные прямоугольники соответствуют областям лейцин-обогащенного повторного мотива (LRRs).

Ген Srlk, играющий ключевую роль на первых этапах формирования ответной реакции растения на засоление, экспрессируется преимущественно в корнях, и уровень его экспрессии в эпидермисе корневых волосков и в апексе корня увеличивается в несколько раз в условиях солевого стресса (Lorenzo et al., 2009). Показано, что повышенная экспрессия Srlk при солевом стрессе активизирует экспрессию еще как минимум пяти регуляторных генов, среди которых - выявленные ранее факторы транскрипции MtZpt2-l и MtZpt2-2 (Merchan, 2007). Поскольку ген Srlk является первым в цепи клеточных биохимических реакций на засоление, его роль для адаптивного потенциала растения, возможно, является ключевой.

Показано, что мутации в структурной части гена, изменяющие аминокислотную последовательность Srlk, или приводящие к стоп-кодонам

(TILLING .SW^-Mutants), в условиях солевого стресса достоверно и существенно сказываются на длине и массе корней, массе наземной части растения, способности растения к образованию клубеньков (Lorenzo et al., 2009). Таким образом, опубликована хорошо обоснованная гипотеза о том, что 1) ген Srlk играет одну из ключевых ролей в процессах адаптации люцерны к засолению, и что 2) нуклеотидные замены в последовательности гена Srlk у отдельных генотипов M.trimcatala достоверно отражаются на адаптационных возможностях этих генотипов.

1.3. Культура люцерны

Люцерна является ценной кормовой и мелиоративной культурой, возделываемой в более чем 80 странах мира на площади 30 млн га: в России -2,7 млн га, в странах Европы - 6,1, Северной Америки - 13,3 (из них 11,1 США и 2,2 - Канада), Южной Америке - 7,4, Австралии - 1,2 млн га (Голобородько, 2009). История возделывания люцерны исчисляется тысячелетиями. Впервые её выявили греческие воины во время греко-персидских войн в Персии в IV веке до нашей эры, в области Мидия. Отсюда, вероятно, происходит родовое название Medicago {medica, herba medica -мидийская трава) (Иванов, 1980). Дальнейшее распространение люцерна получала в районах оседлого древнего земледелия, население которых нуждалось в корме для скота (Васильченко, 1949). Из Западного Ирана (Персия) люцерна попала в Грецию, затем в Италию, Испанию, Страны Северной Африки и получила арабское название «alfalfa». Из Испании интродукция люцерны в другие европейские страны происходила уже после 1500 гг. В Россию люцерна была ввезена из Франции в конце XVIII века. В страны Северной и Южной Америки люцерна попала при колонизации материков португальцами и испанцами в XVI веке, в страны Южной Америки также интродуцирована из Франции уже под названием lucerne вместо alfalfa. В Австралию люцерна была завезена французскими колонистами в конце XVIII века (Голобородько, 2009). Особенности климатических и почвенных

условий обуславливали темпы распространения люцерны на континентах, определяли особенности развития селекционного процесса (отбор зимостойких, засухостойких, стержнекорневищных генотипов). В таблице 1 представлены данные о площадях, занимаемых под посевами люцерны (сравниваются 1930 и 2000 гг).

Таблица 1. Посевные площади люцерны в странах мира, тыс. га (Голобородько, 2009)

Континенты и страны мира Годы

1930 2000

Европа: 2669,5 6128,1

В т.ч. Испания 77,3 188,9

Франция 1135,0 1583,8

Германия 285,0 174,0

Италия 590,0 1716,0

Венгрия 151,5 398,0

Болгария 9,7 400,0

Польша 1,4 250,0

Румыния 150,1 473,4

Северная и Южная Америка: 12838,7 20753,9

В т.ч. США 4574,7 11145,3

Канада 323,9 2202,0

Аргентина 5830,0 6882,6

Чили 5,3 135,0

Австралия и Океания: 6,9 1253,9

В т.ч. Австралия 3,2 1173,9

Новая Зеландия 12,5 80,0

Бывший СССР 360,0 5134,3

В т.ч. Россия 47,0 2729,5

Украина 45,0 500,0

Широкое распространение и ведущее место среди других многолетних кормовых трав люцерна получила благодаря ряду свойств. Во-первых, способности быстро отрастать после скашивания или стравливания скотом, давая высокий прирост биомассы за 3 - 4 укоса (600 - 700 ц/га) (Вавилов, 1983; Голобородько, 1986). Во-вторых, люцерна характеризуется высокими кормовыми показателями, т. к. содержит физиологически активный белок (перевариваемый и усваиваемый животными протеин), богата углеводами, жирами, минеральными солями, витаминами и каротином (Кутузова, 2001). Мощная корневая система, проникающая глубоко в почву, способствует

улучшению гидрологического режима, физико-химического состава за счет корневых экссудатов, минерализации корневых остатков, формирования симбиотических отношений с почвенными азотфиксирующими бактериями. При этом, помимо обеспечения скота высокобелковыми кормами, достигается повышение плодородия почв и экономия ресурсов на выращивание посевов.

Реакция люцерны па засоление

Люцерна является гликофитом, т.е. растением незасоленных почв. Однако некоторые отдельные генотипы способны произрастать на морских прибрежных песках, периодически затопляемых, солонцеватых почвах, засушливых горных склонах.

Важным показателем при выращивании культуры на засоленных почвах является агрономическая солеустойчивость - способность растений осуществлять полный цикл развития в условях засоления и давать в этих условиях продукцию, удовлетворяющую сельскохозяйственное производство Под биологической солеустойчивостью понимают способность растений осуществлять полный цикл развития в условиях засоления, при этом возможно угнетение развития биомассы (Муха, 2004). Наиболее солеустойчивые растения - хлопчатник, сорго, подсолнечник, свекла, ячмень, рапс, донник, пырей. Среднесолеустойчивые растения - рожь, пшеница, соя, конские бобы, кукуруза, волоснец, ежа, суданская трава, райграс, томаты, перец, морковь. Плохо переносят засоление: фасоль, клевер, лисохвост, редис, сельдерей (Полуэктов, 2004). По данному критерию люцерну относят к группе среднеустойчивых растений (Лопатовская, 2010).

Стадия прорастания семян является одной из ключевых в определении солеустойчивости растения. Различные режимы орошения, степень и тип засоления по-разному влияют на всхожесть семян растений (табл. 2) (Казакова, 2007). Люцерна способна прорастать даже в условиях сильного засоления, но при промывном режиме. В случае непромывного режима

проращивания при засолении, всхожесть семян люцерны значительно снижается.

Таблица 2 Всхожесть семян растений в зависимости от режима орошения, степени и типа засоления почв, % (по Казакова, 2007). С - сульфатный тип засоления, С-Х -сульфатно-хлотидный, X - хлоридный.

Степень засоления сражения

ПрО!£ЫгНОЙ Еепро:я£вной Проиызной с г.редв, арительнуи олр ее ни? ель яьгг поливал

с С-Х X С С-Х X С С-Х

Ткжесна

Сильная 17,5 17,0 15,8 0,0 0,0 0,0 35,5 21,0 15,8

Стзедняя 38,7 30,0 20,0 13,3 10, 0 8,3 нет нет нет

Слабая 72,5 39,0 69,0 67,5 29, 0 54,0 нет нет нет

Суданская траза

Сильная 71,8 19,2 11,5 30,8 17,1 0,0 92,3 48, 7 19,2

Средняя 96, 6 73, 0 61,8 94, 4 39, 3 25, 3 нет нет нет

Слабая 95, 0 86,9 80, 8 75, 8 60, 6 78,3 нет нет нет

Кукуруза

Сильная 100 100 100 100 100 100 100 100 100

Средняя 100 100 100 100 100 100 нет нет нет

Слабая 100 100 100 100 100 100 нет нет нет

При произрастании на засоленной почве, растения могут поглощать ионы легкорастворимых солей (например, натрия и хлора), находящиеся в почвенном растворе. По литературным данным, люцерна является устойчивой к обменному натрию, содержащемуся в почвенном поглощающем комплексе (Муха, 2004).

Заключение к Главе 1

Идентификация генов, контролирующих важные для практического использования признаки, становится возможной, благодаря расшифровке геномов модельных объектов. Для М. ШпсаПйа была показана роль нескольких ключевых генов (8г1к - рецепторной протеинкиназы, активируемых им транскрипционных факторов Zpt2-l, 2р12-2, РНК-связывающего белка ЯВр2), в инициации ответной реакции растения на засоление и участия в механизмах восстановления ростовых процессов во

время и после снятия солевого стресса (Merchan et al, 2003, 2007, Lorenzo et al., 2009). Сходная организация геномов бобовых растений позволяет осуществлять поиск генов-ортологов для ценных генотипов многолетних видов люцерны - желтой, голубой, синей, гибридной - которые возделываются в разных странах и имеют экономическое и экологическое значение (Bressan et al., 1998; Serrano et al., 1999; Sanders, 2000). При поиске новых, ценных для селекции аллелей имеет также значение генетическое разнообразие исходного материала. В генбанках хранятся и изучаются образцы, собранные из различных эколого-географических местообитаний, дикорастущие генотипы и культивируемые сорта. Мировая коллекция ВИР, возможно, сохраняет уникальные генотипы - доноры ценных аллелей солеустойчивости люцерны. Благодаря этому, возможен поиск растений-доноров ключевых аллелей в ходе проведения лабораторных, тепличных и полевых экспериментов. С развитием молекулярной биологии, ПЦР анализа, методов секвенирования и маркирования определенных участков ДНК, становится возможным использовать данные технологии для ускорения и повышения эффективности селекционного процесса (Ribaut and Hoisington, 1998).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Вишневская, Мария Сергеевна, 2015 год

Литература

1. Бондарева А. О., Молдакимова Н. А. Влияние солевого стресса на злаковые растения./ 2013. Астана, Казахстан.

2. Вавилов П.П., Посыпанов Г.С. Бобовые культуры и проблемы растительного белка. - М.: Россельхозиздат, 1983. - 256 с.

3. Васильченко И.Т. Люцерна - лучшее кормовое растение // Тр. Ботанического инта АН СССР. - 1949. - Серия I. - Вып. 8.-С. 9 - 240.

4. Голобородько С.П. Продуктивность багаторичных трав та их сумишок на мелиорованих писках // Освоения малопродуктивних пищаних грунтив. - К.: Урожай, 1986. - С. 66-87.

5. Голобородько С.П., Ковтун H.H. Совершенствование технологии выращивания люцерны - важный фактор интенсификации промышленного производства // Орошаемое земледелие./ 1989. - Вып. 34. - С. 34-38

6. Голобородько С.П., Лазарев H.H. Люцерна: Монография / Голобородько С.П., Лазарев H.H. М.: Изд-во РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева, 2009. 425 с.

7. Дроздов Е.В., Асямолов П.О, Вишневская М.С., Нам И .Я., Заякин В.В. Влияние условий культивирования на регенерацию и каллусогенез эксплантов из зародышей люпина // Вестник БГУ, 2007, Т.4. С.31-34.

8. Егги Э.Э., Вишневская М.С., Агеева П.А., Мехтиев B.C., Гаврилюк И.П., Гапонов Н.В., Красильников В.Н. Использование полиморфизма белков семян для сортовой идентификации люпина узколистного (Lupinus angustifolius L.) // Аграрная Россия, 2012, № 4. С.2-8.

9. Ермилова Е.В., Залуцкая Ж.М., Лапина Т.В., Матвеева Т.В. Количественный анализ экспрессии генов // СПб.: ТЕССА, 2010. 104 с.

Ю.Иванов А.И. Люцерна. //М.: Колос, 1980.- 322 с.

И.Казакова Л. А. Комплексная мелиорация орошаемых солонцовых и засоленных почв Нижнего Поволжья./ Автореф. на соиск. степени д.б.н. - 2007. - Волгоград.

12. Ковда В. А. Основы учения о почвах. Общая теория почвообразовательного процесса. Книга вторая //Книга.-1973. - М. : Наука, - Кн. 1- 447 е.; Кн. 2.-467 с.

13. Кутузова A.A., Крылова Н.П. Создание высокопродуктивных сенокосов и пастбищ с бобово-злаковыми травосмесями. - М.: ВНИИТЭИСХ, 1987. - 46 с.

Н.Кутузова A.A., Проворная Е.Е., Родионова A.B., Трофимова Л.С. Пути устранения

83

дефицита белка в луговодстве // Кормопроизводство. - 2001. - № 3. - С. 10-14.

15.Лопатовская О. Г. Мелиорация почв. Засоленные почвы //учеб. пособие/ОГ Лопатовская, АА Сугаченко.-Иркутск: Изд-во Иркут. гос. ун-та, 2010.-101 с.

16. Мезенцев А. В. Микроразмножение люцерны и клевера //Селекция и семеноводство. - 1980. - №. 6. - С. 13.

17.Муха В. Д. Агропочвоведеиие / В. Д. Муха, Н. И. Картамышев, Д. В. Муха. - М.: Колос, 2004. - 528 с.

18.Наследов А.Д. Математические методы психологического исследования Анализ и интерпретация данных. СПб., 2012, 392с.

19.Полуэктов Е. В. Солеустойчивость растений / Е. В. Полуэктов, Н.А.Иванова // Мелиоративная энциклопедия. - М.: Росинформагротех, 2004. - Т. 3. - С. 197

20. Синская Е. Н. Люцерна //Культурная флора СССР. - 1950. - Т. 13. - №. 1.

21.Abbasi F. М., Komatsu S. A proteomic approach to analyze salt-responsive proteins in rice leaf sheath //Proteomics. - 2004. - V. 4. - №. 7. - P. 2072-2081.

22.Ashraf M. Some important physiological selection criteria for salt tolerance in plants //Flora-Morphology, Distribution, Functional Ecology of Plants. - 2003. - V. 199. - №. 5.-P. 361-376.

23.Ashraf M., McNeilly Т., Bradshavv A. D. The response to nacl and ionic content of selected salt-tolerant and normal lines of three legume forage species in sand culture //New phytologist. - 1986. - V. 104. - №. 3. - P. 463-471. 3.

24.Bergmann J. F. Soil salinization and Welsh settlement in Chubut, Argentina // Cah. Geogr. Quebec. - 1971.-N35.

25.Bernstain L. Salt tolerance of plants //US Dept. Agric., Agric. Information Bull. Salt (PMBD, 185305959).- 1964.

26.Blumwald E., Aharon G. S., Apse M. P. Sodium transport in plant cells //Biochimica et Biophysica Acta(BBA)-Biomembranes.-2000.- V. 1465.-№. l.-P. 140-151.

27.Bressan, R.A., Hasegawa, P.M., Pardo, J.M. Plants use calcium to resolve salt stress. // Trends in Plant Sci. 3, 411-412. 1998.

28.Chao D. Y. et al. Polyploids exhibit higher potassium uptake and salinity tolerance in Arabidopsis//Science.-2013.-V. 341-P. 658-659.

29. Croughan T. P., Stavarek S. J., Rains D. W. Selection of a NaCl tolerant line of cultured alfalfa cells //Crop Science. - 1978. - V. 18. - №. 6. - P. 959-963.

30. De Lorenzo L. et al. A novel plant leueine-rich repeat receptor kinase regulates the response of Medicago truncatula roots to salt stress //The Plant Cell Online. - 2009. - V. 21.-№.2.-P. 668-680.

31. El-Gabaly M. M. Problems and effects of irrigation in the Near East region // Arid land irrigation in developing countries. - Oxford : Pergamon press, 1977.

32. Flowers, T. J., A. R. Yeo Breeding for salinity resistance in crop plants-where next? // Australian journal of plant physiology. 1995. V. 22:875-884.

33.Frugier F. et al. A Kriippel-like zinc finger protein is involved in nitrogen-fixing root nodule organogenesis //Genes & development. - 2000. - V. 14. - №. 4. - P. 475-482.

34. Gu R. et al. Transcript identification and profiling during salt stress and recovery of Populus euphratica //Tree Physiology. - 2004. - V. 24. - №. 3. - P. 265-276.

35. Greenvvay H., Munns R. Mechanisms of salt tolerance in nonhalophytes //Annual review of plant physiology.- 1980,- V. 31.- №. l.-P. 149-190.

36. Hanson C. H. Adaptation, varieties, and usage. - 1972.

37.Hasegawa P.M., Bressan R.A., Zhu J.K. et al. Plant cellular and molecular responses to high salinity.//Annu. Rev. Plant Physiol. 51:463-499. 20006.

38.Hasegawa, P.M., Bressan, R.A. and Pardo, J.M. The dawn of plant salt to tolerance genetics. // Trends in Plant Sci. 5, 317-319. 2000a

39.Hefny M. M., Dolinksi R. Evaluation of different alfalfa (Medicago sativa L. Sensu lato) varieties under different concentrations of NaCl during germination stage //Abstracts, North American Alfalfa Improvement Conference Proceedings. Bozeman, MT.- 1998.

40.Lakshmi A. et al. Effect of NaCl on photosynthesis parameters in two cultivars of mulberry //Photosynthetica. - 1996. - V. 32. - №. 2. - P. 285-289.

41.Locy R. D. et al. Photosynthesis in salt-adapted heterotrophic tobacco cells and regenerated plants //Plant physiology. - 1996. - V. 110. - №. 1. - P. 321 -328.

42.Maathuis, F. J., Verlin, D., Smith, F. A., Sanders, D., Fernandez, J. A., & Walker, N. A. (1996). The physiological relevance of Na+-coupled K+-transport. Plant Physiology, 112(A), 1609-1616.

43.Mahajan S., Tuteja N. Cold, salinity and drought stresses: an overview //Archives of biochemistry and biophysics. - 2005. - V. 444. - №. 2. - P. 139-158.

44.Malibari A. A. et al. Effect of salinity on germination and growth of alfalfa, sunflower

and sorghum //Pakistan Journal of Botany. - 1993. - V. 25. -№. 2. - P. 156-160.

45.Manchanda G., Garg N. Salinity and its effects on the functional biology of legumes //Acta Physiologiae Plantarum. - 2008. - V. 30. - №. 5. - P. 595-618.

46.Merchan F. et al. A Kriippel-like transcription factor gene is involved in salt stress responses in Medicago spp //Plant and soil. - 2003. - T. 257. - №. 1. - C. 1-9.

47.Merchan F., Lorenzo L., Gonzalez-Rizzo S., et al. Analysis of regulatory pathways involved in the reacquisition of root growth after salt stress in Medicago truncatula.// Plant J. 2007. V.51. P. 1-17.

48.Niu X. et al. Ion homeostasis in NaCl stress environments //Plant physiology. - 1995. -V. 109.-№.3.-P. 735.

49. Pavlov A. et al. Variability of seed traits and properties of soluble mucilages in lines of the flax genetic collection of Vavilov Institute //Plant Physiology and Biochemistry. -2014.-V. 80.-P. 348-361.

50. Pels S. Standart M. Environmental changes due to irrigation development in semiarid parts of New South Wales, - Australia, 1975.

51.Pfafl M.W. A New Mathematical Model for Relative Quantification in Real-Time RT-PCR // Nucleic Acids Res. 2001. V. 29. P. 45-50

52. Rains D. W., Epstein E. Sodium absorption by barley roots: its mediation by mechanism 2 of alkali cation transport //Plant Physiology. - 1967. - V. 42. - №. 3. - P. 319-323.

53.Ribaut, J.-M., Hoisington D. Marker-assisted selection: new tools and strategies. //Trends in Plant Sci. 3, 236-239. 1998.

54.Rumbaugh M. D. Salt tolerance of germinating alfalfa seeds //Standard Tests to Characterize Alfalfa Cultivars. Edition. - 1991. - V. 3.

55.Saghai-Maroof M.A., Soliman K.M., Jorgensen R.A., Allard R.W. Ribosomal DNA spacerlength polymorphisms in barley: Mendelian inheritance, chromosomal location, and population dynamics // Proc. Natl Acad. Sci. USA. 1984. V. 81. P. 84-88.

56. Salama S. et al. Effects of NaCl salinity on growth, cation accumulation, chloroplast structure and function in wheat cultivars differing in salt tolerance //Journal of plant physiology. - 1994. - V. 144. - №. 2. - P. 241-247.

57. Sanders D. Plant biology: the salty tale of Arabidopsis //Current Biology. - 2000. - V. 10.-№. 13.-P. R486-R488.

58. Scasta J. D., Trostle C. L., Foster M. A. Evaluating alfalfa (Medicago sativa L.) cultivars

for salt tolerance using laboratory, greenhouse and field methods //Journal of Agricultural Science. - 2012. - V. 4. - №. 6. - P. 90.

59. Serrano, R., Culianz-Macia, A. and Moreno, V. Genetic engineering of salt and drought tolerance with yeast regulatory genes.// Sci Hortic 78, 261-26. 1999.

60. Shavrukov Y., Langridge P., Tester M. Salinity tolerance and sodium exclusion in genus Triticum // Breeding Science, 2009. 59(5), 671-678 (in Russian)

61. Smith S. E. Forage production under salt stress //North American Alfalfa Improvement Conference Standard Tests to Characterize Alfalfa Cultivars. - 1991.

62.Tal M. Physiology of polyploids //Polyploidy. - Springer US, 1980. - P. 61-75.

63.Tucak M. et al. Variability and relationships of important alfalfa germplasm agronomic traits //Periodicum biologorum. - 2008. - V. 110. - №. 4. - P. 311-315.

64. Valliyodan, B., Nguyen, H.T. Understanding regulatory networks and engineering for enhanced drought tolerance in plants // Current Opinions in Plant Biology. 2006. V.9:189-195.

65. Vinocur B., Altman A. Recent advances in engineering plant tolerance to abiotic stress: achievements and limitations //Current opinion in biotechnology. - 2005. - V. 16. - №. 2.-P. 123-132.

66. Winicov I., Button J. D. Accumulation of photosynthesis gene transcripts in response to sodium chloride by salt-tolerant alfalfa cells //Planta. - 1991. - V. 183. - №. 4. - P. 478483.

67. Yeo A.R., Lee K.-S., Izard P., Boursier P.J. & Flowers T.J. Short- and long-term effects of salinity on leaf growth in rice (Oryza sativa L.) // Journal of Experimental Botany. 1991. V. 42. P. 881-889.

68.Yokoi S., Bressan R. A., Hasegawa P. M. Salt stress tolerance of plants //JIRCAS working report. - 2002. - V. 23. - №. 01. - P. 25-33.

69. Zhao D., Oosterhuis D. M. Influence of shade on mineral nutrient status of field□ grown cotton //Journal of plant nutrition. - 1998. - V. 21. - №. 8. - P. 1681-1695.

70. Zhao D., Oosterhuis D. M., Bednarz C. W. Influence of potassium deficiency on photosynthesis, chlorophyll content, and chloroplast ultrastructure of cotton plants //Photosynthetica. -2001. - V. 39.-№. l.-P. 103-109.

71.Zhu J. K. Genetic analysis of plant salt tolerance using Arabidopsis //Plant Physiology. -2000.-V. 124.-№.3.-P. 941-948.