СОЗДАНИЕ СОЛЕУСТОЙЧИВЫХ ФОРМ РИСА С ПОМОЩЬЮ ЛАБОРАТОРНЫХ МЕТОДОВ

СОЗДАНИЕ СОЛЕУСТОЙЧИВЫХ ФОРМ РИСА С ПОМОЩЬЮ ЛАБОРАТОРНЫХ МЕТОДОВ

Научная статья

Костылев П.И.^1, *, Кудашкина Е.Б.², Краснова Е.В.³

¹ ORCID: 0000-0002-4371-6848;

³ ORCID :0000-0002-4716-5676;

^{1, 2, 3} ФГБНУ Аграрный научный центр «Донской», Зерноград, Россия

* Корреспондирующий автор (p-kostylev[at]mail.ru)

Аннотация

Засоление почвы снижает зерновую продуктивность с.х. культур. Статья посвящена анализу солеустойчивости риса с использованием проращивания семян в 1,5% растворе хлорида натрия. Были выделены солеустойчивые линии, которые изучили в контрольном питомнике по урожайности и элементам ее структуры. Выделены две линии из гибрида IR 52713-2B-8-2B-1-2 x Новатор: 7322 и 7328, достоверно превысившие в 2018 году стандартный сорт Южанин на 1,02-1,80 т/га. В среднем за 2017-2018 годы они сформировали урожайность 6,82-7,53 т/га (у стандарта 6,25 т/га).

Ключевые слова: рис, гибрид, солеустойчивость, ПЦР-анализ, урожайность.

CREATING SALT TOLERANT FORMS OF RICE WITH THE HELP OF LABORATORY METHODS

Research article

Kostylev P.I.^1, *, Kudashkina E.B.², Krasnova E.V.³

¹ ORCID 0000-0002-4371-6848;

³ ORCID 0000-0002-4716-5676;

^{1, 2, 3} FSBSI “Donskoy” Agrarian Scientific Centre

* Corresponding author (p-kostylev[at]mail.ru)

Abstract

Salinization reduces grain productivity of crop. The article is devoted to the analysis of salt tolerance of rice with the help of seed germination in 1.5% sodium chloride solution. Salt tolerant lines were identified and studied in the control nursery by yield and elements of its structure. Two lines were selected from the hybrid IR 52713-2B-8-2B-1-2 x Novator: 7322 and 7328, significantly exceeding the standard variety of Southerner by 1.02-1.80 t/ha in 2018. On average, they formed a yield of 6.82–7.53 t/ha (for a standard of 6.25 t/ha) for 2017–2018.

Keywords: rice, hybrid, salt tolerance, PCR analysis, yield.

Рис является основным продуктом питания для большинства людей в мире. Для увеличения его производства необходимо увеличить посевные площади. Около 6,5% общей площади земли не используются из-за проблем с соленостью и щелочностью. Засоление является одним из основных препятствий для увеличения производства риса в районах его выращивания во всем мире [1, С. 1]. Влияние засоления на рост риса связано со стадией развития растений, концентрацией и типом соли, длительностью ее воздействия, рН почвы, водного режима, температуры, влажности и освещения [2, С. 37].

Селекция на устойчивость к абиотическим и биотическим стрессам является важным способом борьбы со снижением урожайности. Селекционные солеустойчивые сорта являются наиболее экономичным, менее ресурсоемким и социально приемлемым фактором. Обширные генетические коллекции являются полезным источником генетического разнообразия изучаемых признаков. Лучшим способом является идентификация солеустойчивых линий зародышевой плазмы, от которых можно перенести гены толерантности в основные сорта. Солеустойчивость – это мультигенный признак, который позволяет растениям расти и формировать экономически значимый урожай при наличии нефизиологически высоких и относительно постоянных уровней соли, в частности NaCl [3, С. 145].

Солеустойчивость представляет собой сложное явление, поскольку может потребоваться сочетание различных независимых методов. Доказана достоверная отрицательная корреляция между содержанием Na+ и сухой массой побега и корня при концентрации NaCl 1,2% [4, С. 76]. (Azarin et al., 2016). Можно ожидать, что толерантный генотип будет поддерживать более низкие концентрации Na+, более низком уровне Na+/K+ (который считается желательным признаком, поскольку он поддерживает ионный баланс) и высокой биомассы. Надежные и воспроизводимые методы скрининга являются основой любой успешной программы селекции и они должны быть быстрыми, воспроизводимыми, легкими и доступными. Традиционная селекция ускоряется за счет использования молекулярных маркеров, связанных с геном признака толерантности, который известен как MAS (маркерная селекция). С помощью MAS ген Saltol, основной QTL солеустойчивости, передан в семь популярных адаптированных сортов риса: ADT45, CR1009, Gayatri, MTU1010, PR114, Pusa 44, Sarjoo 52 [5, С. 6]. (Singh et al, 2016). Результаты показывают что они накапливают меньше Na+ и сравнительно более K+, поддерживая низкое соотношение Na +/К+ в листьях. Эти толерантные генотипы имеют значительно меньшую концентрацию Na+ в побегах и эффективно ограничивают содержание натрия транспортировка к побегам.

Sexcion et al. (2009) отмечали, что морфо-физиологическими признаками, связанными с солеустойчивостью у сортов риса Pokkali, Cheriviroppu, FL478 и IR651 – являются высокая энергия роста, максимальная биомасса побегов и корней, низкие накопление Na+ в побегах и соотношение Nа+/К+ в побегах по сравнению с чувствительными генотипами [6, C. 27].

Геномный подход предполагает идентификацию QTL с помощью молекулярных маркеров. Основной локус толерантности к засолению Saltol был выявлен у риса сорта Pokkali на хромосоме 1. Сообщалось, что Saltol участвует в гомеостазе Na+/К+ при засолености [7, С. 148], [8, C. 32](Thomson et al, 2010; Platten et al, 2013).

Sankar et al. (2006) оценили солеустойчивость сортов риса по всхожести и росту проростков в условиях солевого стресса при 1,6 % NaCl. Генотипы CSR 23 и CSR 10 хорошо показали себя по проценту всхожести, СО 43 и Nona Bokra – по доле зерна в биомассе, а CSSRI 60 – по индексу энергии роста [9, C. 798].

Создание солеустойчивых сортов является средством расширения сельского хозяйства в регионах, затронутых засолением. В России эта проблема также актуальна, что вызывает необходимость проведения селекционной работы по созданию солеустойчивых сортов риса. Для этого нужно привлекать в скрещивания с местными сортами лучшие азиатские образцы и  использовать современные методы контроля переноса генов и диагностики солеустойчивости [10, c.165]. Цель нашего исследования – выведение толерантных к засолению форм риса для Ростовской области.

Материал и методика

Исходным материалом для гибридизации были  солеустойчивые образцы IR 52713-2B-8-2B-1-2-2B-8-2B-1-2, IR 74099-3R-3-3-3R-3-3 и NSIC Rc 106, несущие в 1-й хромосоме ген Saltol, и раннеспелый сорт ВНИИ риса Новатор. Гибриды культивировали на полях Опытной станции «Пролетарская» Аграрного научного центра «Донской» в Ростовской области. Образцы риса проверяли на солеустойчивость с помощью лабораторного метода. Проростки взвешивали в 10-дневном возрасте после их роста в дистиллированной воде и 1,5% растворе NaCl. Лучшие по комплексу хозяйственно-ценных признаков линии изучали в контрольном питомнике на делянках 25 м² в 2-кратной повторности. Урожайности учитывали после уборки делянок комбайном КС-575. Статистическую обработку полученных данных проводили с помощью программы Excel и Statistica 6.

Результаты исследований

Первое поколение гибридов в 2013 году были очень позднеспелыми, вызревая лишь к концу сентября, и имели высокую стерильностью колосков, вследствие различий в структуре хромосом генетической отдаленностью скрещенных форм подвидов japonica (Новатор) и indica. Гибриды второго поколения в 2014 году обладали существенным полиморфизмом по вегетационному периоду (110-150 дней), высоте растений (70-120 см), длине метелки (13-24 см), числу зерновок (81-200 штук) и колосков (100-300 штук), массе метелки (2-5 г), массе 1000 зерен (26-35 г) и др.

Из гибридных популяций F₂ были отобраны метелки с растений, обладавших скороспелостью, низкорослостью, хорошей озерненностью метелок, высокой фертильностью. Анализ их солеустойчивости после проращивания в стаканчиках с 1,5% раствором поваренной соли по сравнению с контролем (дистиллированная вода) позволил выявить большое разнообразие по относительной массе проростков.

Основное количество образцов (78%) показали среднюю солеустойчивость – от 30 до 50%. Около 3% оказались неустойчивыми, 4% (9 образцов) имели высокую толерантность к засолению – соотношение массы проростков в соленой и пресной воде у них превышало 70%.

Лучшие образцы представлены в таблице 1. У контрольного сорта Южанин солеустойчивость, определенная по соотношениюю массы одного проростка в опыте к контролю, составила 42,2%, тогда как у лучшего образца 7328 она достигала 97,8%. При этом ранги солеустойчивости, определенной по всхожести семян и массе проростка, не всегда совпадали.

В 2017 году лучшие линии двух гибридных комбинаций были изучены в селекционном питомнике на делянках площадью 20 м². Самым урожайным из них был образец 7328 (IR 52713-2B-8-2B-1-2 x Новатор), сформировавший 6,85 т/га зерна, на 0,75 т/га больше стандарта. В контрольном питомнике 2018 года 2 линии из гибрида IR 52713-2B-8-2B-1-2 x Новатор: 7328 и 7322 сформировали урожайность 8,20 и 7,42 т/га, существенно превысив стандартный сорт Южанин (на 1,80 и 1,02 т/га) (табл. 1).

 

Таблица 1 – Выделившиеся по солеустойчивости и урожайности образцы риса

Название	Всхожесть, %			Масса одного проростка, мг			Урожайность, т/га
	Опыт	Контроль	Соотно-шение, %	Опыт	Контроль	Соотно-шение, %	2017 г.	2018 г.
Южанин, стандарт	29	100	28,0	38	90	42,2	6,10	6,40
7328*	90	100	90,0	109	112	97,8	6,85	8,20
7322	46	98	46,9	79	91	86,8	6,22	7,42
7337	46	98	46,9	72	83	86,4	6,00	6,58
7340	22	68	32,4	44	47	92,2	6,55	6,04
7343	22	98	22,4	78	86	91,2	6,53	5,93
НСР05	26,2	9,2	26,7	12,9	21,1	14,8	0,34	0,33

Примечание: 7328, 7322 – IR 52713-2B-8-2B-1-2 x Новатор, 7337, 7340, 7343 – IR 74099-3R-3-3 x Новатор.  

В среднем за 2 года (2017-2018 гг.) они сформировали урожайность 6,82-7,53 т/га (у стандарта 6,25 т/га). Остальные линии из гибрида IR 74099-3R-3-3 x Новатор были на уровне стандарта, хотя один из них (7340) созрел на 4 дня раньше Южанина.

Таким образом, комбинируя классические методы селекции с выращиванием проростков на засоленном фоне, удалось создать урожайные линии риса с комплексом хозяйственно-ценных признаков. Они отличаются от стандарта Южанин меньшей высотой, более короткой метелкой и меньшей массой 1000 семян. За счет большей выживаемости растений и густоты стеблестоя они формируют урожайность зерна на уровне и выше стандарта. В 2019 году они будет высеяны на полях с засоленной почвой.

Выводы

1. Получены гибриды сорта Новатор с тремя азиатскими линиями – донорами гена солеустойчивости Saltol.
2. Из расщепляющихся гибридных популяций отобраны скороспелые линии с комплексом хозяйственно-ценных признаков.
3. Методом проращивания семян в 1,5% растворе поваренной соли выделено 9 образцов с солеустойчивостью более 70%.
4. В контрольном питомнике из 6 образцов два достоверно превысили стандарт Южанин по урожайности зерна. 

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

 

Список литературы / References

1. Reddy I. N. B. L. Salt Tolerance in Rice: Focus on Mechanisms and Approaches / I. N. B. L. Reddy, B. K. Kim, I. S. Yoon and others // Rice Science. – 2017. – 24(3). – P. 123-144.
2. Akbar M. Breeding for salinity resistance in rice / M. Akbar, R. Ahmed, A. S. Pietro // Prospects for bio-saline research, Department of Botany, University of Karachi, Pakistan. – 1986. – P. 37-55.
3. Hurkman W. J. Effect of salt stress on plant gene expression: A review / W. J. Hurkman // Plant and Soil. – 1992. – 146. ­– P. 145-151.
4. Azarin K. V. Effects of salt stress on ion balance at vegetative stage in rice (Oryza sativa L.) / K. V. Azarin, A. V. Usatov, N. S. Kolokolova and others // OnLine Journal of Biological Sciences. – 2016. – 16. – No.1. – P. 76-81.
5. Singh R. K. Salt tolerant rice varieties and their role in reclamation programme in Uttar Pradesh / R. K. Singh, B. Mishra, K. N. Singh // Indian Farming. – 2004. – P. 6–10.
6. Sexcion F. S. H. Morpho-physiologicall traits associated with tolerance of salinity during seedling stage in rice (Oryza sativa L.) / F. S. H. Sexcion, J. A. Egdane, A. M. Ismail and others // Phil. J. Crop. Sci. – 2009. – 34(2). – P. 27–37.
7. Thomson M. J. Characterizing the Saltol quantitative trait locus for salinity tolerance in rice / M. J. Thomson, M. de Ocampo, J. Egdane and others // Rice. – 2010. – 3(2). – 148–160.
8. Platten J. D. Salinity tolerance, Na+ exclusion and allele mining of HKT1;5 in Oryza sativa and O.glaberrima: Many sources, many genes, one mechanism / J. D. Platten, J. A. Egdane, A. M. Ismail // BMC Plant Biol. – 2013. – 13. – P. 32.
9. Sankar P. D. Ranking of salt tolerant rice lines based on germination and seedling growth under salt stress conditions / P. D. Sankar, N. Subbaraman, S. L. Narayanan // Res. on Crops. – 2006. – 7(3). – P. 798-803.
10. Usatov A. V. Introgression the saltol QTL into the elite rice variety of Russia by marker-assisted selection / A. V. Usatov, A. V. Alabushev, P. I. Kostylev and others // American Journal of Agricultural and Biological Science. – 2015. – 10. – No.4. – P. 165-169.