CREATING "SOLARIS", A SALT-RESISTANT RICE VARIETY

СОЗДАНИЕ СОЛЕУСТОЙЧИВОГО СОРТА РИСА СОЛЯРИС

Научная статья

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

¹ ORCID 0000-0002-4371-6848;

² ORCID 0000-0002-4716-5676;

³ ORCID 0000-0002-3392-4774;

¹ Донской государственный аграрный университет, Персиановский, Россия;

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

³ ГК «Агролига России», Ростов-на-Дону, Россия

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

Аннотация

Засоление почвы снижает зерновую продуктивность сельскохозяйственных культур. Статья посвящена анализу солеустойчивости риса с использованием проращивания семян в 1,5% растворе хлорида натрия и выявлению гибридов по маркерам RM 493 и RM 7075 гена устойчивости к засолению Saltol методом ПЦР-анализа. Были выделены солеустойчивые линии, которые изучили в контрольном питомнике по урожайности и элементам ее структуры. Выделены две линии из гибрида IR 74099-3R-3-3-3R-3-3 x Новатор: Дон 7674 и Дон 7737, достоверно превысившие в 2020 году стандартный сорт Южанин на 2,55 и 0,61 т/га, сформировав урожайность зерна 9,1 и 7,16 т/га, соответственно. В статье прослеживаются поэтапные результаты отбора солеустойчивых высокоурожайных линий риса.

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

CREATING "SOLARIS", A SALT-RESISTANT RICE VARIETY

Research article

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

¹ ORCID 0000-0002-4371-6848;

² ORCID 0000-0002-4716-5676;

³ ORCID 0000-0002-3392-4774;

¹ Don State Agrarian University, Persianovsky, Russia;

^{1, 2} State Scientific Establishment “Agricultural Research Center “Donskoy”, Zernograd, Russia;

³  Agroliga Rossii corporate group, Rostov-on-Don, Russia

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

Abstract

Salinization of soil reduces the grain productivity of agricultural crops. The article contains an analysis of salt resistance of rice using seed germination in 1.5% sodium chloride solution and identification of hybrids by markers RM 493 and RM 7075 of the Saltol salt resistance gene through PCR testing. The study distinguishes salt-resistant lines, which were studied by yield and elements of its structure in a control nursery. The authors highlight two lines from the IR 74099-3R-3-3-3R-3-3 x Novator hybrid: Don 7674 and Don 7737, which significantly exceeded the standard "Yuzhanin" variety by 2.55 and 0.61 t / ha in 2020, forming a grain yield of 9.1 and 7.16 t / ha, respectively. The article outlines the step-by-step results of the selection of salt-resistant high-yielding rice lines.

Keywords: rice, hybrid, salt resistance, PCR test, yield.

Рис, как важная продовольственная культура для большинства мировых государств, требует постоянного увеличения урожайности и площадей посева. 6,5% общей земельной площади во всем мире не используется по проблеме с засолением и щелочностью почв [1, С. 1]. Генотип растений, тип засоления и их концентрация, водный режим обуславливают влияние засоления на растения риса [2, С. 37].

Эффективная мера повышения урожайности при засолении – это селекционный способ. Растения должны быть устойчивы к абиотическим и биотическим факторам. Солеустойчивость – это мультигенный признак, который дает возможность растениям риса расти и формировать высокорентабельную урожайность при высоком и постоянном уровне солей, в особенности NaCl [3, С. 145]. Выявлено достоверное отрицательное коррелирование между содержанием Na+ и массой сухого побега и корня при концентрации NaCl 1,2% [4, С. 76].

Молекулярные маркеры ускоряют традиционную селекцию. С помощью MAS ген Saltol, основной QTL солеустойчивости, передан семи популярным сортам риса [5, С.6]. Эти генотипы, толерантные к повышенному содержанию солей имеют существенно меньшую концентрацию Na+ в побегах.

Важными морфофизиологическими признаками, влияющими на солеустойчивость 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, С.27]. Главный локус устойчивости к засолению Saltol был выявлен у риса сорта Pokkali на хромосоме 1. Ген Saltol участвует в гомеостазе Na+/К+ при засолении почвы [7, С. 148], [8, С. 32]. При оценке солеустойчивости риса на всхожесть и рост проростков в условиях солевого стресса при 1,6 % NaCl генотипы CSR 23 и CSR 10 хорошо проявили себя по всхожести, СО 43 и Nona Bokra – по соотношению зерна и соломы в биомассе, а CSSRI 60 – по индексу энергии роста [9, С.798].

Создание солеустойчивых сортов является способом расширения посевов в проблемных регионах. Для этого необходимо использовать в гибридизации с отечественными сортами лучшие доноры с использованием современной диагностики солеустойчивости [10, С.165]. Цель нашего исследования – создание толерантных к засолению сортов риса для условий Ростовской области.

Материал и методика

Исходным материалом для гибридизации послужил солеустойчивый образец IR 74099-3R-3-3-3R-3-3, несущий в первой хромосоме ген Saltol, и скороспелый сорт ФНЦ риса Новатор. Гибриды выращивали на полях ОП «Пролетарское» Аграрного научного центра «Донской» в Ростовской области. Оценку линий риса по солеустойчивости проводили лабораторным методом в рулонах из фильтровальной бумаги и полиэтилена, которые помещали в специальные лотки и добавляли солевой раствор в концентрации 1,5% NaCl. Контрольные семена проращивали на дистиллированной воде. Растения выращивали в термостате при температуре 26°С, влажности 70%. Через 14 дней измеряли массу корешков и ростков, рассчитывали процент устойчивости.

Проводили также ПЦР-анализ гибридов для выявления по маркерам генов Saltol. При проведении SSR анализа использовали 2 пары праймеров, сцепленных с локусом солеустойчивости: RM493 и RM7075 (Islam, 2014). Амплификацию проводили в термоциклере PalmCyclerCorbettResearch. ПЦР продукты разделяли с помощью электрофореза в 2% агарозном геле с бромистым этидием (1 мкг/мл).

Лучшие по хозяйственно-ценным признакам линии изучали в контрольном питомнике на делянках 25 м² в 2-кратной повторности. Уборку делянок проводили комбайном очесывающего типа КС-575. Урожайность учитывали с расчетом на 14%-ю влажность зерна. Статистическую обработку полученных данных проводили с помощью программы Excel и Statistica 8.

Результаты исследований

Гибридизация IR74099-3R-3-3 x Новатор была проведена в 2012 году в климатической камере. Гибриды первого поколения в 2013 году зацвели в поле очень поздно – в конце августа, а созрели только к октябрю. Колоски на метелках имели высокую стерильность, что связано с большими структурными различиями хромосом родительских форм подвидов japonica (Новатор) и indica.

Гибридные растения второго поколения в 2014 году обладали существенным полиморфизмом по таким признакам, как вегетационный период (110-150 дней), высота растений (70-120 см), длина метелки (13-24 см), количество зерновок (81-200 штук) и колосков на метелке (100-300 штук), масса зерна с метелки (2-5 г), масса 1000 зерен (26-35 г) и др.

Из F₂ были отобраны хорошо озерненные, высоко фертильные метелки с низкорослых растений. Одно из этих растений - №41 стало родоначальником будущего сорта Солярис. Оно обладало хорошим сочетанием морфологических признаков, лучше, чем у родительского сорта Новатор (табл. 1).

 

Таблица 1 – Выделившийся по комплексу признаков образец риса, 2014 г.

Образец, сорт	Высота растения, см	Длина метелки, см	Кол-во полных зерен	Кол-во пустых колосков	Всего колосков	Плотность метелки, шт./см	Масса 1000 зерен, г	Масса зерна с метелки, г
Новатор	82,5	14,5	107	11	118	8,1	28,2	3,02
№41	95,6	17,6	247	15	262	14,9	26,2	6,48

 

В 2015 году лучшие семьи F₃, в т. ч. №41 (Д 6872), выращивали на однорядковых делянках. Популяции третьего поколения продолжали расщепляться и существенно варьировали по количественным признакам (табл. 2).

 

Таблица 2 – Характеристика образца риса F₃ Д-6872, 2015 г.

Значение признака	Высота растений, см	Длина метелки, см	Кол-во полных зерен	Кол-во пустых колосков	Всего колосков	Масса 1000 зерен, г	Масса зерна с метелки, г
Минимум	85	13,9	123	10	133	26	3,21
Максимум	111	20,3	211	14	225	30	6,32
Среднее	103	18,3	174	12	186	28	4,88

 

ПЦР анализ этих образцов, проведенный в лаборатории маркерной селекции АНЦ «Донской» в начале 2016 года, показал различия по наличию в их генотипах доминантных и рецессивных аллелей локуса солеустойчивости Saltol (рис. 1).

Рис. 1 – Электрофореграмма, показывающая аллельное состояние гена Saltol у линий F₃ гибрида IR74099-3R-3-3 x Новатор

Примечание: IR74 – образец IR74099-3R-3-3 с доминантным аллелем, 503-517 – линии

 

Из рисунка 1 видно, что линии 503, 507, 510-513 несут доминантный аллель Saltol в гомозиготном состоянии, 506 и 514 – рецессивный, 504, 505, 508, 509, 515 и 516 – гетерозиготы.

Образец 6872/2015 анализировали под номером 510, т. е. он имел доминантный аллель солеустойчивости.

В мае 2016 года был проведен анализ солеустойчивости этих образцов с помощью проращивания на рулонах с 1,5% раствором поваренной соли по сравнению с контролем (дистиллированная вода). Он позволил выявить большое разнообразие по относительной массе проростков, длине ростков и корешков (рис. 2).

Основное количество образцов (78%) показали среднюю солеустойчивость, определенную по соотношению массы одного проростка в опыте к контролю – 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%.

Рис. 2 – Опыты по определению солеустойчивости в рулонах, 2016 г.:

К – контроль; О - опыт

 

Выделившиеся образцы указаны в таблице 3. У стандартного сорта Южанин устойчивость к засолению достигала 42,2%, в то время как у лучшей линии 6872 она составила 95,9%.

 

Таблица 3 – Выделившиеся по устойчивости к соли линии риса из комбинации IR 74099-3R-3-3 x Новатор

Название сорта, образца	Масса одного проростка, мг
	Опыт	Контроль	Соотношение, %
Южанин, стандарт	38	90	42,2
6872/2015	94	98	95,9
7337/2015	72	83	86,4
7340/2015	44	47	92,2
7343/2015	78	86	91,2
НСР05	12,9	21,1	14,8

 

В 2016 году на однорядковых делянках эти линии вместе с множеством других были высеяны в гибридном питомнике. Характеристика лучших из них указана в таблице 4.

 

Таблица 4 – Характеристика лучших линий риса F₄ IR 74099-3R-3-3 × Новатор, выделившихся по массе зерна с метелки и другим хозяйственно-ценным признакам, 2016 г.

№ делянки 2016 г.	№ делянки 2015 г.	Длина метелки, см	Число зерен в метелке, шт.	Масса 1000 семян, г	Масса зерна с метелки, г
Стандарт	Южанин	18,6	128	29	3,71
7226	6872	17,7	172	25	4,31
7234	7337	17,9	155	27	4,18
7249	7340	17,6	162	26	4,21
7398	7343	18,0	148	28	4,14
Стандартное отклонение		1,3	16	2	0,48

 

Эти линии среднеспелые, среднерослые, устойчивые к полеганию, со средней и длинной метелкой, средней массой 1000 зерен 26-28 г, большим числом зерен на метелке, превышающими величины признаков у сорта – стандарта Южанин.

Полученные линии F₅ – F₆ были репродуцированы. В 2017-2018 гг. они изучались в селекционном питомнике на продуктивность, качество и устойчивость к водному засолению.

Выделившиеся линии F₇ в 2019 году этой комбинации гибридов были изучены на делянках площадью 20 м² в селекционном питомнике. Самым высоким по урожайности стал образец 7674, сформировавший 8,9 т/га, что на 0,4 т/га зерна больше, чем у стандартного сорта Южанин при одинаковых с ним условиях и сроках цветения.

Существенно превысили урожайность сорта Южанин (на 2,55 и 0,61 т/га) эти гибриды и в контрольном питомнике 2020 года: Дон 7674 (Солярис) и Дон 7737, сформировав урожайность зерна 9,1 и 7,16 т/га, соответственно (табл. 5, рис. 3). Стандарт сформировал урожайность 6,55 т/га.

Другие линии из гибрида IR 74099-3R-3-3 x Новатор были на одном уровне со стандартом, при этом они созрели на 7-14 дней раньше сорта Южанин.

 

Таблица 5 – Характеристика солеустойчивых образцов риса в контрольном питомнике, 2020 год

Сорт	Урожайность, т/га	Вегетационный период, дни	Высота растений, см
Южанин	6,55	124	95
Дон 7674 (Солярис)	9,10	119	84
Дон 7737	7,16	108	89
Дон 7731	6,80	117	74
Дон 7732	6,73	110	80
НСР 05	0,43

 

Таким образом, сочетая методы классической селекции риса с ПЦР-анализом генов устойчивости Saltol и выращиванием проростков в рулонах на 1,5%-ном растворе NaCl, получилось создать высокоурожайные линии, обладающие комплексом хозяйственно-ценных признаков. Их отличие от стандарта Южанин в меньшей высоте, более короткой метелке и меньшей массе 1000 семян. Благодаря большей жизнеспособности растений, выживаемости в стрессовых условиях и густоте стеблестоя они формируют урожайность зерна на уровне и выше стандарта. В 2021 году они будут высеваться в конкурсном сортоиспытании.

Рис. 3 – Солеустойчивые линии риса в КП – Дон 7731 и Дон 7674, 2020 г.

 

Выводы

1. В процессе селекционной работы проведено скрещивание и получен гибрид раннеспелого отечественного сорта Новатор с донором гена солеустойчивости Saltol – линией IR 74099-3R-3-3.
2. В гибридной популяции F₂ наблюдали широкий спектр расщепления по многим количественным признакам. Из нее отобраны скороспелые линии с комплексом хозяйственно-ценных признаков: низкорослостью, безостостью, высокой фертильностью и выполненным зерном.
3. ПЦР анализ этих образцов, проведенный в лаборатории маркерной селекции АНЦ «Донской», показал различия по наличию в их генотипах доминантных и рецессивных аллелей локуса солеустойчивости Saltol. Из них были отобраны растения с доминантными аллелями устойчивости.
4. Анализ солеустойчивости этих образцов с помощью проращивания на рулонах с 1,5% раствором поваренной соли по сравнению с контролем (дистиллированная вода) позволил определить, что 78% образцов показали среднюю солеустойчивость – 30-50%, 3% оказались неустойчивыми, 4% (9 образцов) имели высокую устойчивость – более 70%.
5. В контрольном питомнике 2020 года два образца Дон 7674 и Дон 7737 сформировали урожайность зерна 9,1 и 7,16 т/га, соответственно, существенно превысив стандартный сорт Южанин (на 2,55 и 0,61 т/га). Дон 7674 (Солярис) готовится к передаче на Государственное сортоиспытание. 

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 et al. // Rice Science. – 2017. – 24(3). – P. 123-144.
2. Akbar M. Breeding for salinity resistance in rice / (Eds.) 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 et al. // 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 et al. // 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 et al. // 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 / 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 et al. // American Journal of Agricultural and Biological Science. – 2015. – 10. – No.4. – 165-169.