doi: 10.15389/agrobiology.2024.1.116rus
УДК 633.111.1:631.522/.524:581.192
Работа выполнена при финансовой поддержке проекта Минобрнауки России «Национальная сетевая коллекция генетических ресурсов растений для эффективного научно-технологического развития РФ в сфере генетических технологий» по соглашению № 075-15-2021-1050 от 28.09.2021.
БИОМАРКЕРЫ АЛЮМОТОЛЕРАНТНОСТИ У ЗИМОСТОЙКИХ ФОРМ Triticum aestivum L. ИЗ КОЛЛЕКЦИИ ВИР им. Н.И. ВАВИЛОВА
Н.С. ЛЫСЕНКО1✉, Л.Л. МАЛЫШЕВ1, Р.К. ПУЗАНСКИЙ2,
А.Л. ШАВАРДА2, Т.В. ШЕЛЕНГА1
Кислые почвы составляют около 50 % от всех посевных угодий мира, что ограничивает производство возделываемых культур. Площадь сельскохозяйственных угодий с повышенной кислотностью ежегодно увеличивается, в России она составляет примерно 30 %. В кислых почвах ионы алюминия (Al3+) — основной стрессор для растений, в том числе для пшеницы, которая считается одним из основных и экономически значимых продуктов питания. Большинство устойчивых к Al3+ генотипов представлено гексаплоидными видами пшениц с геномом D, к которым относится Triticum aestivum L. Отличительная черта озимой мягкой пшеницы заключается в сочетании устойчивости к низким температурам с хорошими хлебопекарными качествами муки. С учетом этого поиск алюмотолерантных форм T. aestivum и выявление признаков, связанных с алюмотолерантностью, которые могли бы послужить ее биомаркерами при селекции, остаются актуальной задачей. В коллекции ФИЦ Всероссийского института генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова (ВИР) большая часть гексаплоидных пшениц (44 тыс. образцов) относится к T. aestivum. Изучение генетического потенциала коллекции T. aestivum, представленной в ВИР, позволит выявить новые источники алюмотолерантности. В этом сообщении мы впервые сравнили метаболомные профили коллекционных образцов T. aestivum разного эколого-географического происхождения, адаптированных к условиям северо-запада России, и выявили их особенности у форм с низкой чувствительностью к воздействию ионов алюминия для обнаружения метаболитов — потенциальных маркеров устойчивости к ионам алюминия. Метаболомные профили (МП) 20 образцов T. aestivum (коллекция ВИР) с разной степенью чувствительности к Al3+ изучили методом неспецифического метаболомного профилирования с использованием газовой хроматографии, сопряженной с масс-спектрометрией. МП анализировали в тканях корешков 7-суточных проростков. В МП генотипов с низкой чувствительностью к Al3+ были представлены полиолы, нуклеозиды, лактонные формы органических кислот, свободные жирные кислоты и их производные, триозы, пентозы, гексозы, олигосахара, фенолсодержащие вещества, терпены, фитостеролы. Воздействие стрессора предположительно вызывает изменения в цикле Кребса, синтезе карбогидратов, растительных гормонов, других защитных факторов, глицеролипидов и триглицеридов мембранного комплекса. Методом дисперсионного анализа установлены достоверные отличия МП форм с более выраженной устойчивостью к Al3+ от остальных образцов по содержанию основных соединений, перечисленных выше. Классический дискриминантный анализ с последующим каноническим корреляционным анализом позволил выделить 11 компонентов со 100 % достоверностью разделяющих образцы T. aestivum с разной степенью алюмотолерантности. Наиболее информационно значимыми факторами, характеризующими устойчивые формы T. aestivum, оказались фосфорная, яблочная, янтарная кислоты, четырехатомный (RI = 1537) и пятиатомный (RI = 1735) спирты, метиловый эфир линолевой кислоты, которые можно рассматривать как статистически подтвержденные маркеры алюмоустойчивости (р < 0,05). С помощью установленных биомаркеров может осуществляться поиск форм T. aestivum, устойчивых к Al3+, для использования при селекции адаптированных к производству в условиях северо-запада России высокопродуктивных сортов T. aestivum с комплексной устойчивостью к стрессорам.
Ключевые слова: Triticum aestivum, алюмоустойчивость, неспецифическое метаболомное профилирование, биомаркеры, газовая хроматография с масс-спектрометрией.
BIOMARKERS FOR ALUMOTOLERANCE OF WINTER-HARDY FORMS OF Triticum aestivum L. FROM THE VIR COLLECTION
N.S. Lysenko1 ✉, L.L. Malyshev1, R.K. Puzansky2,
A.L. Shavarda2, T.V. Shelenga1
All cultivated land in the world is approximately 50 % acidic soil, in Russia it is approximately 30 %. This limits the production of economically significant crops. The area of highly acidic farmland increases annually. The main stressor of acidic soils are aluminum ions (Al3+). One of the most economically significant crops for the Russian Federation is wheat. Therefore, the search for alumotolerant wheat forms remains relevant. The largest number of Al3+ resistant genotypes is found among hexaploid wheat species with genome D, which include Triticum aestivum L. A distinctive feature of this culture is the combination of low temperatures resistance with good baking quality of the flour, therefore, the search for aluminum-tolerant forms among T. aestivum genotypes is economically justified. Hexaploid wheats are well represented in the collection of the Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources (VIR), the main part of which (44 thousand samples) is T. aestivum. In this paper, we for the first time compared the metabolomic profiles (MP) of T. aestivumaccessions of different eco-geographical origins adapted to the conditions of the North-West of the Russian Federation, and identified the MP features in aluminum tolerant forms to detect putative metabolic markers for resistance to aluminum ions. Nonspecific metabolomic profiling of 7-day seedling rootlets of 20 T. aestivum accessions varying in degree of sensitivity to Al3+ was performed using gas chromatography coupled with mass spectrometry. Polyols, nucleosides, lactone forms of organic acids, free fatty acids and their derivatives, trioses, pentoses, hexoses, oligosaccharides, phenol-containing substances, terpenes, phytosterols were better represented in MP genotypes with low sensitivity to Al3+. Dispersion analysis revealed significant differences of the MP of the accessions with a more expressed resistance to Al3+. Exposure to a stressor presumably causes changes in the Krebs cycle, the synthesis of carbohydrates, plant hormones, other protective factors, glycerolipids and triglycerides of the membrane complex. Classical discriminant analysis followed by canonical analysis allowed us to identify eleven components with 100 % confidence separating T. aestivum samples with varying degrees of aluminum tolerance. Phosphoric, malic, succinic acids, tetra (RI = 1537) and pentaatomic (RI = 1735) alcohols, and linoleic acid methyl ester, which are statistically confirmed as aluminum tolerance markers, were the most informatively significant factors characterizing resistant forms of T. aestivum. The established biomarkers can be used to search for forms of T. aestivumresistant to Al3+. These forms will be involved in breeding for highly productive T. aestivum varieties with complex resistance to stress factors and adapted to production in the conditions of the North-West of the Russian Federation.
Keywords: Triticum aestivum, aluminum resistance, non-specific metabolomic profiling, biomarkers, gas chromatography-mass spectrometry.
1ФГБНУ ФИЦ Всероссийский институт |
Поступила в редакцию |
