doi: 10.15389/agrobiology.2024.5.973rus
УДК 633.15:631.522/.524:577.2
Работа выполнена в рамках Федерального проекта «Аграрная наука — шаг в будущее развитие агропромышленного комплекса», направление 4.1.1.
ОЦЕНКА ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЛИНИЙ КУКУРУЗЫ (Zea mays L.)
ПО СОДЕРЖАНИЮ ХЛОРОФИЛЛОВ И ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ psaA
И psbА ДЛЯ СЕЛЕКЦИИ ГИБРИДОВ КОРМОВОГО НАПРАВЛЕНИЯ
Д.Х. АРХЕСТОВА✉, А.Х. ГЯУРГИЕВ, Р.А. ГАЖЕВА, А.Д. ХАУДОВ,
А.И. САРБАШЕВА
Кукуруза (Zea mays L.) занимает одно из ведущих мест среди кормовых растений. Основные пигменты фотосинтеза — хлорофиллы a и b играют важную роль в определении физиологического состояния растений, оценке воздействия стрессовых факторов и прогнозировании продуктивности. Известно, что хлорофиллы и их производные — фитол и фитановая кислота крайне важны для млекопитающих благодаря положительному влиянию при метаболических дисфункциях. Содержание фитола и фитановой кислоты напрямую зависит от количества хлорофилла в кормах. В связи с этим обеспечение жвачных животных кормами с высоким содержанием хлорофилла позволит повысить качество получаемых продуктов животного происхождения. В представленном исследовании впервые были выявлены образцы с высоким содержанием хлорофиллов в листьях, а также показана взаимосвязь между накоплением общих хлорофиллов и экспрессией генов фотосистем, в частности транскрипцией генов psaA и psbA, в селекционных линиях кукурузы коллекции ИСХ КБНЦ РАН. Целью работы стала оценка содержания хлорофилла a и хлорофилла b в перспективных селекционных линиях кукурузы из коллекции Института сельского хозяйства — филиала ФГБНУ ФНЦ Кабардино-Балкарского научного центра РАН (ИСХ КБНЦ РАН) для выделения линий кормового направления с повышенным содержанием хлорофиллов и дальнейшего их использования в селекции, а также определение возможных корреляций между содержанием хлорофиллов и экспрессией генов psaA и psbA. Для анализа отобрали 150 селекционных линий кукурузы из коллекции ИСХ КБНЦ РАН, используемых для получения сортов и гибридов зернового и универсального направления. Растения были выращены на опытных участках ИСХ КБНЦ РАН в 2023 году. Содержание хлорофиллов а и b в листьях определяли с использованием реактива Фолча. Для этого через 5-6 сут после опыления около полудня отбирали листья пятого яруса у второго растения в ряду. Листовые диски вырезали из середины листа, избегая средних жилок, гомогенизировали в жидком азоте и замораживали при температуре -80 °C. Экспрессию генов psaA и psbA определяли в тех же гомогенизированных в жидком азоте тканях, для которых проводили измерение содержание хлорофиллов, с помощью количественной ПЦР в реальном времени (РВ-ПЦР). Статистический анализ проводили с использованием программ Microsoft Excel 2013 и Graph Pad Prism v.9. Результаты показали значительные различия в содержании хлорофиллов в листьях среди анализируемых образцов. По суммарному количеству хлорофиллов линии кукурузы были разделены на три группы: с высоким (> 400 мкг/г, 21 образец), средним (200-400 мкг/г, 91 образец) и низким (< 200 мкг/г, 38 образцов) содержанием. Максимальное количество хлорофилла а было выявлено у линии 726 (608,95 мкг/г), минимальное — у линии 804 (88,95 мкг/г) (6,85-кратная разница). Количественное соотношение хлорофилл a/хлорофилл b у разных линий находилось в диапазоне от 1,72 до 2,65, что согласуется с ранее полученными данными для кукурузы. Экспрессия генов фотосистем psaA и psbA положительно коррелировала с содержанием хлорофиллов. Так, у линий 726 и 944 (максимальное содержание общих хлорофиллов) транскрипция гена psaA была в 5,8 раза выше, а psbA — в 4,6 раза выше по сравнению с линиями 804 и 849 (минимальное содержание общих хлорофиллов). Полученные результаты демонстрируют значительную вариабельность содержания хлорофиллов и экспрессии генов фотосистем среди линий кукурузы. Выделенные линии с высоким содержанием хлорофиллов (линии 726, 728, 760, 847, 935, 944, 2193, 8007) могут послужить материалом для селекции гибридов кукурузы на высокую продуктивность и улучшенные кормовые характеристики.
Ключевые слова: Zea mays L., кукуруза, хлорофилл a, хлорофилл b, фотосинтез, экспрессионный анализ, экспрессия генов, psaA, psbA.
D.Kh. Arkhestova ✉, A.Kh. Gyaurgiev, R.A. Gazheva, A.D. Khaudov,
A.I. Sarbasheva
Corn (Zea mays L.) is a crucial fodder crop that holds one of the leading positions among feed plants. Chlorophylls a and b, the primary photosynthetic pigments, play a vital role in determining the physiological state of plants, assessing the impact of stress factors, and predicting productivity. It is known that chlorophylls and their derivatives, phytol and phytanic acid, are extremely important in mammalian nutrition due to their positive effects on metabolic dysfunctions. The content of phytol and phytanic acid directly depends on the chlorophyll content in feed. In this regard, providing ruminants with feeds high in chlorophyll content will improve the quality of obtained animal products. In this study, samples with high chlorophyll content in leaves were identified for the first time, and a correlation between the accumulation of total chlorophylls and expression levels of photosystem genes, including transcription of psaA and psbA genes, was demonstrated in maize breeding lines from the collection of the Institute of Agriculture of the Institute of Agriculture KBRC RAS. Our aim was to evaluate the chlorophyll a and chlorophyll b contents in promising corn breeding lines from the collection of the Institute of Agriculture — a branch of the Federal Scientific Center of Kabardino-Balkarian Scientific Center RAS (Institute of Agriculture KBSC RAS) to identify fodder-oriented lines with increased chlorophyll content for further use in breeding, as well as to determine possible correlations between chlorophyll content and expression of psaA and psbA genes. For the analysis, 150 breeding lines of maize were selected from the collection of Institute of Agriculture KBSC RAS, which are used to produce varieties and hybrids for grain and universal purposes. The plants were grown in experimental plots of the Institute of Agriculture of the KBRC RAS in 2023. The determination of chlorophyll a and b content in leaves was conducted using Folch reagent. For this purpose, 5-6 days after pollination, at noon, leaves from the fifth tier of the second plant in the row were collected. Leaf discs were cut from the middle of the leaf, avoiding midribs, homogenized in liquid nitrogen, and frozen at -80 °C. The expression of psaA and psbA genes was determined in the same tissues homogenized in liquid nitrogen, for which chlorophyll content was measured, using quantitative real-time PCR (qRT-PCR). Statistical analysis was performed using Microsoft Excel 2013 and GraphPad Prism v.9 software. The results revealed significant differences in chlorophyll content among the analyzed samples. Based on total chlorophyll content, corn lines were divided into three groups, with high (> 400 mg/g, 21 samples), medium (200-400 mg/g, 91 samples), and low (< 200 mg/g, 38 samples) content. The maximum amount of chlorophyll a was detected in line 726 (608.95 mg/g), while the minimum was in line 804 (88.95 mg/g), with a 6.85-fold difference. The ratio of chlorophyll a to chlorophyll b in different lines ranged from 1.72 to 2.65, which is consistent with previously obtained data for maize. The expression of photosystem genes psaA and psbA positively correlated with chlorophyll content. For instance, in lines 726 and 944 (maximum chlorophyll content), psaA gene transcription was 5.8 times higher, and psbA was 4.6 times higher compared to lines 804 and 849 (minimum chlorophyll content). The obtained results demonstrate significant variability in chlorophyll content and photosystem gene expression among different maize lines. The identified lines with high chlorophyll content (726, 728, 760, 847, 935, 944, 2193, and 8007) can serve as a basis for further breeding aimed at obtaining high-yielding maize hybrids with improved forage characteristics.
Keywords: Zea mays L., corn, chlorophyll a, chlorophyll b, photosynthesis, expression analysis, gene expression, psaA, psbА.
Институт сельского хозяйства — филиал ФГБНУ ФНЦ Кабардино-Балкарский
научный центр РАН, |
Поступила в редакцию |
