doi: 10.15389/agrobiology.2019.6.1306rus
УДК 636.2:631.52:631.461.52
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Соглашение № 14.607.21.0178, RFMEFI60717X0178).
ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫЕ ШТАММЫ КЛУБЕНЬКОВЫХ БАКТЕРИЙ
ЛЮЦЕРНЫ (Medicago varia L.): МОЛЕКУЛЯРНО-ГЕНЕТИЧЕСКАЯ
ХАРАКТЕРИСТИКА И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В СОПРЯЖЕННОЙ
СЕЛЕКЦИИ
М.Л. РУМЯНЦЕВА1, М.Е. ВЛАДИМИРОВА1, В.С. МУНТЯН1,
Г.В. СТЕПАНОВА2, А.С. САКСАГАНСКАЯ1, А.П. КОЖЕМЯКОВ1,
А.Г. ОРЛОВА3, A. BECKER4, Б.В. СИМАРОВ1
В травостоях многолетних кормовых бобовых трав предпочтение отдается люцерне для создания культурных пастбищ и восстановления деградированных почв. Люцерна изменчивая (Medicago sativa L. nothosubsp. varia (Martyn) Arcang) высокоурожайная и устойчивая к неблагоприятным условиям возделывания культура, что важно для зон рискованного земледелия России. Урожайность люцерны в значительной степени зависит от успешности формирования растительно-микробной симбиотической системы с клубеньковыми бактериями (ризобиями), которая становится способной фиксировать азот атмосферы. Согласно современным исследованиям по симбиогенетике, эффективность симбиотических систем предопределяется комплементарностью взаимодействия геномов растения и его микросимбионта. Исходя из этого и биопрепараты, которые используют для обработки семян бобовых, также должны содержать селекционно подобранные штаммы ризобий с соответствующими генотипическими характеристиками. В представленной работе впервые проведен сравнительный анализ урожайности 73 сорто-микробных систем, сформированных на основе штаммов Sinorhizobium meliloti, выделенных из района, подверженного засолению, и производственных штаммов 425а и 415б, которые используют для приготовления биопрепарата Ризоторфин, с сортами люцерны, созданными методами традиционной и сопряженной селекции. Показана перспективность отбора высокоэффективных штаммов, комплементарных хозяйственно-ценным сортам растений-хозяев в модельных опытах. Установлено, что штаммы А1 и А2 активнее формировали симбиотические системы с испытанными сортами люцерны, чем производственные штаммы. Впервые показано, что сорто-микробные системы на основе новых сортов обладают повышенной адаптивностью, а потенциал повышения прибавок урожая для них существенно превышает 50 %. Впервые получены данные, показывающие, что урожайность сорто-микробных систем, сформированных производственным штаммом 425а, преимущественно зависит от неконтролируемых факторов согласно двухфакторному дисперсионному анализу. Вместе с тем, геномные характеристики этого штамма играют более существенную роль, чем сорто-штаммовые взаимодействия, в формировании урожая, что, по-видимому, обуславливает востребованность биопрепаратов на основе этого штамма для разных сортов в различных географических районах Российской Федерации. Высокая комплементарность штаммов А1 и А2 к сорту Агния и функциональная значимость генетических характеристик штамма 425а обусловили интерес к их геномным характеристикам. Сравнительный анализ геномов с использованием ДНК-биочипов выявил существенные различия между высокоэффективными штаммами. Установлено, что гены, обуславливающие симбиотическую активность и стрессоустойчивость ризобий, имели дивергентную структуру преимущественно у штаммов, адаптированных к условиям засоления. Данные первых этапов молекулярно-генетического анализа высокоэффективных штаммов указывают на необходимость продолжения исследований, которые позволят осуществлять направленный подбор штаммов-микросимбионтов для современных сортов люцерны. Впервые представленные результаты оценки урожайности сорто-микробных систем, выращиваемых в различных природно-климатических условиях России, наглядно доказывают необходимость широкого внедрения метода сопряженной симбиотической селекции для создания новых хозяйственно ценных сортов бобовых трав, необходимых для формирования устойчивой кормовой базы.
Ключевые слова: Medicago varia, Sinorhizobium meliloti, сорта люцерны, метод сопряженной селекции, высокоэффективные штаммы, симбиотические гены и гены стрессоустойчивости ризобий, геномные острова, сорто-микробные системы, урожайность, двухфакторный дисперсионный анализ.
M.L. Roumiantseva1, M.E. Vladimirova1, V.S. Muntyan1,
G.V. Stepanova2, A.S. Saksaganskaya1, A.P. Kozhemyakov1,
A.G. Orlova3, A. Becker4, B.V. Simarov1
In grass stands of perennial fodder legumes, alfalfa is a preferred leguminous plant for the creation of cultivated pastures and restoration of degraded soils. Medicago sativa L. nothosubsp. Varia (Martyn) Arcang is a high-yielding crop and resistant to adverse cultivation conditions, which is important for risky farming zones in Russia. Alfalfa productivity largely depends on the success of the formation of a plant-microbial symbiotic system with root nodule bacteria (rhizobia), which becomes able to fix atmospheric nitrogen. Modern symbiogenetics has shown that the effectiveness of symbiotic systems depends on the complementary interaction of the plant and microsymbiont genomes. Proceeding from this, the biological products that are used to treat legume seeds should also contain selected rhizobia strains with corresponding genotypic characteristics. In the present work, a comparative analysis of the yield of 73 variety-strain combinations, including Sinorhizobium meliloti represented by isolates from salt affected areas and by two strains (425a and 415b) of commercial importance, with alfalfa varieties obtained by classical and symbiotically depended plant breeding approaches was performed. The prospects of selecting highly effective strains those complementary to economically valuable varieties of alfalfa in model experiments have been shown. The strains A1 and A2 were found to be symbiotically more active with tested alfalfa varieties than strains of commercial importance. It has been evaluated that cultivar-strain combinations based on cultivars obtained by a symbiotically depended plant breeding approach are characterized by increased adaptability, and their potential to increase yield significantly exceeds 50 %. It was revealed that yields of variety-strain combinations formed by strain 425a are under the influence of uncontrolled factors according to two-factor analysis of variance. A high complementarity of strains A1 and A2 to the Agnia variety, and the functional significance of the genetic characteristics of strain 425a, led us to study their genomic characteristics. A comparative analysis of genomes done by using DNA biochips approach revealed significant differences between symbiotically highly effective strains. It was established that genes related to symbiotic activity and stress tolerance of rhizobia had a divergent structure mainly in strains recovered from salinized soils. The data of the first stages of the molecular genetic analysis of highly effective strains strongly indicate the need to continue research that will allow targeted selection of microsymbiont strains for modern varieties of alfalfa. Data produced through the research of a number of variety-strain combinations grown in various climatic conditions of the Russian Federation clearly demonstrate the need for the widespread introduction of a symbiotically depended plant breeding approach in order to create new economically valuable varieties of legumes needed to form a sustainable forage base for farmers.
Keywords: Medicago varia, Sinorhizobium meliloti, alfalfa varieties, plant breeding approaches, symbiotic genes and stress tolerance genes, DNA biochip SM6kOligo, genomic islands, symbiotically effective variety-strain combinations, sustainable forage base.
1ФГБНУ Всероссийский НИИ сельскохозяйственной |
Поступила в редакцию |
