Our journals
Submit manuscript Sign in / Sign up
Advanced search
Article sections

FEATURES OF QUANTITATIVE SIGN MANIFESTATION IN LINUM USSITATISSIMUM L. VARIETIES UNDER SALT STRESS CONDITIONS

Research article
Korolev K.P.
Bome N.A.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2020.96.6.026
Issue: № 6 (96), 2020
Published:
2020/06/17
PDF

ОСОБЕННОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ПРИЗНАКОВ У СОРТОВ LINUM USSITATISSIMUM L. В УСЛОВИЯХ СОЛЕВОГО СТРЕССА

Научная статья

Королев К.П1*, Боме Н.А2.

1 ORCID: 0000-0001-9595-3493;

2 ORCID: 0000-0002-5467-6538;

Тюменский государственный университет, г. Тюмень, Россия

* Корреспондирующий автор (corolev.konstantin2016 [at]yandex.ru)

Аннотация

Представлены результаты лабораторных исследований по тестированию шести сортов льна масличного в условиях солевого стресса. Для получения более объективных данных, нами проведено изучение сортов в чашках Петри и вегетационных сосудах. На основании ранней диагностики сортов выявлена их изменчивость отношению к стресс – фактору по морфометрическим параметрам проростков и вегетирующих растений. Установлены сорта, имеющие высокую степень устойчивости при относительно низких и средних концентрациях хлоридного засоления, которые можно использовать в качестве источников в селекции льна масличного на солеустойчивость.

Ключевые слова: лен масличный, хлоридное засоление, проростки, индекс роста, биомасса, хлорофилл, SPAD-502 Plus, коэффициент устойчивости.

FEATURES OF QUANTITATIVE SIGN MANIFESTATION IN LINUM USSITATISSIMUM L. VARIETIES UNDER SALT STRESS CONDITIONS

Research article

Korolev K.P.1*, Bome N.A.2.

1ORCID: 0000-0001-9595-3493;

2ORCID: 0000-0002-5467-6538;

Tyumen State University, Tyumen, Russia

*Corresponding author (corolev.konstantin2016[at]yandex.ru)

Abstract

The authors present the results of laboratory studies on the testing of six varieties of oil flax under salt stress conditions. In order to obtain more objective data, we studied varieties in Petri dishes and vegetation vessels. Based on the early diagnosis of varieties, their variability with respect to the stress factor was revealed by the morphometric parameters of seedlings and vegetative plants. The authors established the varieties with a high degree of resistance at relatively low and medium concentrations of chloride salinity, which can be used as sources in the selection of oil flax for salt tolerance.

Keywords: oil flax, chloride salinity, seedlings, growth index, biomass, chlorophyll, SPAD-502 Plus, resistance coefficient

Введение

Адаптация растений к новым условиям среды достигается за счет модификационной и генотипической изменчивости, то есть путем перестройки комплекса физиолого-биохимических, морфологических и анатомических признаков самого растения в онтогенезе и образования новых норм реакций в филогенезе [2, C.767], [3, С.3-29]. Засоление является ограничивающим фактором для получения высокой продуктивности растений [10, С.1222-1223]; [13, С.601-605]; [14, С.503-527]. Увеличение степени засоления приводит к нарушению гомеостатического водного баланса. Реакция клеток растений на засоление заключается в накоплении высоких концентраций Na + и Cl- в их вакуолях или в распределении этих ионов по разным частям растения для активации метаболических функций [11, С.344-351]. Засоление влияет на уровень транскрипции примерно 8% всех генов. Эти гены активируются в зависимости от типа ткани, фазы развития, а также скорости наступления и продолжительности стресса [4, С. 1-638]. На территории Тюменской области засоленные почвы составляют 1,6% почвенного покрова и сосредоточены в южной части области [7, С.1-854].

Цель исследования – установить влияние различной степени хлоридного засоления на проростки и вегетирующие растения и выявить устойчивые сорта льна масличного.

Материалы и методы исследований

Изучение ответных реакций сортов льна масличного на действие стресс-фактора проводили в 2017-2018 гг. на базе лаборатории биотехнологических и микробиологических исследований Института биологии Тюменского государственного университета. Объекты исследования – шесть сортов льна масличного, из них три сорта из России (Северный, Флиз, Легур), два из Франции (Antares, Кrokus) и один из Казахстана (Кустанайский янтарь). Исследования включали в себя два этапа: проращивание семян в чашках Петри и культивирование растений в вегетационных сосудах.

Проращивание семян льна масличного проводили в предварительно простерилизованных чашках Петри. На два слоя фильтровальной бумаги раскладывали по 20 семян каждого сорта льна масличного, затем добавляли дистиллированную воду (контроль) или раствор хлорида натрия в трех концентрациях (0,5 Мпа (0,7%); 1 МПа (1,4%); 1,5 МПа (2,1%), и помещали в термостат (ТСО-1/80 СПУ) при температуре 220С. Повторность опыта – 4-х кратная. На третьи сутки определяли энергию прорастания (%), на седьмые сутки – лабораторную всхожесть семян (%), а также измеряли длину корня и побега (см), сырую массу (мг). Сухую массу проростков (мг) устанавливали путем высушивания проростков в алюминиевых бюксах в сушильном шкафу при 1050С в течение 4 часов.

Выращивание растений проводили на вегетационных стеллажах, в сосудах из инертного материала, заполненных почвой по 280 г в каждом. объемом почвы в каждом – 280 г.  Грунт – универсальный с содержанием по 1,0% N, P, K. Объем выборки составлял 20 шт. семян каждого сорта в четырехкратной повторности. После закладки семян почвудистиллированной водой (80 мл/cосуд), накрывали стеклом (для снижения испарения влаги) и помещали на стеллажи. Культивирование растений выполняли в условиях: освещенность – 5000 лк, фотопериод – 16 ч., температура – 240С, относительная влажность воздуха – 60,0%. При появлении всходов создавали провокационный фон на засоление путем полива опытных вариантов растворами хлорида натрия требуемой концентрации, контрольных – дистиллированной водой.

В течение проведения эксперимента выполняли учеты высоты растений (см), площади (см2) и количества листьев (шт.). Измерение содержания хлорофилла в листьях растений проводили с помощью оптического счетчика SPAD 502 Plus (Minolta Camera Co, Ltd, Япония). Продолжительность – 21 сут.  В конце опыта растения извлекали из сосудов, очищали от остатков почвы, взвешивали отдельно корни и побеги, измельчали и помещали в сушильный шкаф. Для выявления степени реакции генотипов на стресс нами были рассчитаны показатели: ИДК – индекс длины корня (соотношение длины корня в опыте и контроле, %), ИДП – индекс длины побега (соотношение длины побега в опыте и контроле, %).

Статистическую обработку данных проводили по методике Г.Ф. Лакина [5]. Достоверность различий (при р <0,05) контрольных и опытных вариантов исследования выполняли с использованием t-критерия Стьюдента.

Результаты и их обсуждение.

Критическим параметром успешного создания устойчивых к стрессовым факторам сортов является изначальное генетическое разнообразие исходного материала [6, С.497-505]. В ходе проведения исследований выявлена неравномерность прорастания семян льна в контрольных и опытных вариантах (рисунок 1). Первые визуальные признаки прорастания семян льна масличного в контрольных вариантах проявились на вторые сутки (сорта Северный, Легур), на третьи – четвертые сутки (Antares, Кустанайский янтарь, Флиз, Кrokus).  В среднем, в контрольных вариантах энергия прорастания была на уровне 80,0%, что указывает на хорошие посевные свойства семян.

В условиях низкой степени засоления (0,7%) сорта Кустанайский янтарь и Северный имели преимущество по энергии прорастания, которая она составила 73,7% и 61,2% соответственно при среднем популяционном значении 52,1%. Высокие концентрации NaCl (1,4 и 2,1% существенно замедляли ростовые процессы в семени, и только у одного сорта Antares на третьи сутки эксперимента отмечено 7,5% проросших семян (концентрация 1,4%).

 

08-07-2020 17-02-10

Рис. 1 – Влияние хлоридного засоления на энергию прорастания (А) и лабораторную всхожесть (Б), чашки Петри, среднее, 2017-2018 гг. Примечание: различия между контрольными и опытными вариантами достоверны при р <0,05. Варианты опыта: контроль (а), 0,7% NaCl (б), 1,4% NaCl (в), 2,1% (г). Сорта льна масличного: Antares (1), Кrokus (2),  Легур (3), Северный (4), Флиз (5), Кустанайский янтарь (6)

 

Дальнейшее изучение устойчивости сортов, позволило установить, что сорта на седьмые сутки имели высокую лабораторную всхожесть при отсутствии стресс-фактора (xcр.= 91,5%). При этом, следует отметить, что выявленная зависимость количества проросших семян от величины солевого стресса осталась неизменной. К наиболее устойчивым сортам по изучаемому критерию при 0,7% NaCl можно отнести Antares (96,3%), Кустанайский янтарь (91,4%), Легур (86,3%). В условиях 1,4% воздействия сохранилось лишь два сорта Antares (27,5%), Кrokus (16,7%); при 2,1% отмечено полное отсутствие прорастания.

Согласно многочисленным исследованиям, выявлено негативное влияние стресс-фактора на рост и развитие растений, активность их метаболических процессов, состояние клеток [8, С.5-21]; [9, С. 1-196]; [12, С.239-250;] [15, С.366-381]. Скрининг параметров проростков, позволил выявить их угнетение в зависимости от концентрации стрессора (рисунок 2).

При хлоридном засолении 0,5 Мпа, высокая степень развития корней отмечена у сортов Antares и Кустанайский янтарь, с ИДК равным 79,8% и 78,1%; средняя – у сортов Северный (51,7%) и Легур (42,9%). При 1 Мпа засолении развитие корней было угнетено стрессом, индекс отмечали лишь у двух сортов Antares (22,9%) и Кrokus (26,9%).

 

08-07-2020 17-02-25

Рис. 2 – Индекс длины корня (А) и побега (Б) у сортов льна масличного при 0,7% (а), 1,4% (б) концентрации, %, 2017-2018 гг. Сорта: Antares (1), Кrokus (2), Легур (3), Северный (4), Флиз (5), Кустанайский янтарь (6)

Действие стресс-фактора оказало негативное влияние и на формирование побегов. В группу с высоким значением ИДП, вошли сорта Antares (46,5%) и Кустанайский янтарь (38,4%), Кrokus (31,4%) при 0,7% NaCI и один сорт Кrokus (44,3%) при 1,4% концентрации.

Наряду с морфометрическими параметрами проростков, большое значение при скрининге стрессоустойчивости сортов, имеет накопление сырой и сухой биомассы. У сортов Antares, Северный, Кустанайский янтарь   нами отмечено увеличение доли корней в общей сырой и сухой массе растений. Сорта Легур, Флиз также реагировали на степень засоления увеличением доли корней в сырой массе без изменения в сухой.  Сорт Кrokus снижал долю корней обратно пропорционально концентрации солевого агента, при неизменной массе корней в сухой массе. Исходя из расчета коэффициента устойчивости (КУ, %), представляющего собой соотношение массы проростков в опытных и контрольных вариантах, сорт Antares являлся высокоустойчивым при 0,7% NaCl; сортов устойчивых к 1,4% не выявлено. К числу слабоустойчивых сорта Северный и Флиз.

Для выявления особенностей раннего онтогенеза у сортов льна масличного на обычном и провокационном фонах, нами проведены дополнительные исследования в вегетационных сосудах. Средняя (1,4%) и высокая (2,1%) концентрация стрессора оказывала негативное влияние на рост растений. Сорта Antares, Северный, Флиз, Кустанайский янтарь можно отнести в группу с низкой интенсивностью в условиях стресс – фактора. У сортов Кrokus, Легур нами отмечена более высокая скорость роста, однако к концу эксперимента происходило замедление. Относительно высокорослыми при слабом засолении являются сорта Кrokus (10,05 см) и Флиз (10,47 см), при среднем: Кrokus (8,45 см), Северный (8,34 см), Флиз (7,43 см); при сильном засолении эта группа сортов также имела преимущество.

Число листьев и их размеры различались по сортам льна масличного. В меньшей степени негативный эффект установлен при слабом и среднем засолении. К устойчивым генотипам по числу листьев можно отнести Кrokus Легур, Флиз с отклонением от контроля при 0,5 Мпа и 1,5 Мпа соответственно. По морфометрическим параметрам листовых пластинок был рассчитан листовой индекс, представляющий собой отношение длины листа к ширине. Выявлен ингибирующий эффект всех опытных вариантов. При 1,4% NaCI более толерантным сортом являлся Krokus (0,36) при 2,1% сорта Легур (0,38) и Кустанайский янтарь (0,52).

В связи с тем, что адаптивные возможности растений напрямую связаны с эффективностью работы внутренних механизмов регуляции, изучение фотосинтетической реакции растений является актуальным для разработки и внедрения в практику селекции физиологических методов оценки разных сортов на устойчивость к абиотическим стрессам [1, С. 78-84]. Реакция сортов на хлоридное засоление проявлялась в снижении содержания хлорофилла в листьях в зависимости от силы влияния стресс – фактора.  Слабое засоление оказывало отрицательный эффект на сорта (82,7% – 95,3% к контролю). При средней степени NaCl у трех сортов устойчивость была значительной (90,4 – 92,5%), при сильной (71,2 – 82,5%). В устойчивую группу вошли сорта Krokus, Флиз, Легур, Кустанайский янтарь.

Нами также установлены различия между сортами по накоплению сырой и сухой биомассы при стрессовом влиянии. По сырой массе стебля сорта проявили высокую устойчивость, за исключением сортов: Флиз, при 0,7%; Северный при 1,4% и 2,1%; Antares при 2,1% концентрации. По сухой массе стебля следует отметить сорт Флиз при слабом засолении, остальные сорта вошли в группу неустойчивых во всех опытных вариантах.

Соотношения в структуре биомассы корней и побегов, позволило выявить следующие особенности, характерные и для опыта в чашках Петри. Для сортов Antares, Северный, Кустанайский янтарь характерно увеличение доли корней в общей сырой и сухой массе растений пропорционально степени засоления. У сортов Легур, Флиз, также отмечена вышеназванная тенденция, однако при этом, процентное отношение корня в сухой массе не изменяется. Сорт Krokus снижал долевое участие корней в общей структуре обратно степени засоления, при неизменности корней в сухой массе.

Заключение

Таким образом, тестирование растений на провокационном фоне, позволили выявить степень ответных реакций генотипов льна масличного. Установлено, что хлоридное засоление оказывало отрицательное влияние на прорастание семян, сырую и сухую биомассу проростков и вегетирующих растений, высоту растений, ассимиляционный аппарат растений льна масличного. Впервые на льне масличном, определена возможность использования оптического счетчика хлорофилла Spad-502 Plus при оценке стрессоустойчивости. Согласно оценки в чашках Петри и вегетационных сосудах к относительно устойчивым сортам можно отнести Antares, Кустанайский янтарь, Krokus, Легур, которые можно рекомендовать для селекционно-генетических исследований.

Конфликт интересов Не указан Conflict of Interest «None declared»
  

Список литературы / References

  1. Жученко А. А. Экологическая генетика культурных растений / А.А. Жученко. Кишинёв: Штиинца. – 1988. – С. 767.
  2. Жученко А. А. Эколого-генетические основы адаптивной системы селекции растений / А.А. Жученко // Сельскохозяйственная биология. – 2000. – №3. – С. 3-29.
  3. Frommer W.B. Taking transgenic plants with a pinch of salt / W.B. Frommer, U. Ludewig, D. Rentsch // Science. – 1999. 285. – Р. 1222-1223.
  4. Taniyama T. Salt injuries and morphogenesis / T. Taniyama // Sci. Rice Plant. Tokyo. – 1993. – V. 1. – P. 601- 605.
  5. Tester M., Davenport R. Na+Tolerance and Na+Transport in Higher Plants/ M. Tester, R. Davenport // Annals of Botany. 2003. – 91. – Р. 503-527.
  6. Koca H., Bor M., Özdemir F. The effect of salt stress on lipid peroxidation, antioxidative enzymes, and proline content of sesame cultivars / H. Koca, M. Bor, F. Özdemir// Environ Exp. Bot. –2007. – 60. – Р. 344-351.
  7. Кошкин Е.И. Физиология устойчивости сельскохозяйственных культур / Е.И. Кошкин // М.: Дрофа, 2010. –638 с.
  8. Панкова Е.И. Засоленные почвы России / Е.И. Панкова [и др.] – М.: Академкнига, 2006. – 854 с
  9. Лакин Г.Ф. Биометрия /Г.Ф. Лакин. М.: Высшая школа, 1980. – 295 с.
  10. Лисицын Е.М., Амунова О.С. Генетическое разнообразие сортов яровой мягкой пшеницы по алюмоустойчивости / Е.М. Лисицын, О.С. Амунова // Вавиловский журнал генетики и селекции. – 2014. – Т. 18. – № 3. – С. 497-505.
  11. Удовенко Г.В. Физиологические механизмы адаптации растений к различным экстремальным условиям / Г.В. Удовенко // Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. – 1979. – Т. 64. – Вып. 3. – С. 5-21.
  12. Craig J.R., Vaughan D.J., Skinner B.J. Resources of the Earth: origin, use, and environmental impact / J.R. Craig, J. Vaughan, B.J. Skinner // Prentice Hall, New Jersey. – 1996. – 196 p.
  13. Munns R. Comparative physiology of salt and water stress / R. Munns // Plant Cell Environ. – 2002. – 25. – Р. 239 - 250.
  14. Wungrampha S. Photosynthesis and salinity: are these mutually exclusive? / S. Wungrampha, R. Joshi, S.L Singla-Pareek, Pareek // Photosynthetica. – 2018. – Vol. 56. – № 1. – P. 366-381.
  15. Аканов Э.Н. Особенности фотосинтетической реакции сортов ярового ячменя как показатель их адаптивных возможностей / Э.Н. Аканов, В.В. Пыльнев, Салама Хасан // Известия ТСХА, 2000. – Вып. 3. С. 78-84.

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Zhuchenko A.A. Ecological genetics of cultivated plants / A.A. Zhuchenko. Chisinau: Stiinza. – – 767 р. [in Russian].
  2. Zhuchenko A.A. Ecological and genetic foundations of the adaptive system of plant breeding / A.A. Zhuchenko // Agricultural biology. – – No. 3. –Р. 3-29. [in Russian].
  3. Frommer V. B. reception of transgenic plants with a pinch of salt / V. B. Frommer, U. Ludwig, D. Rent // Nauka. – – 285. – P. 1222-1223.
  4. Taniyama T. Salt injuries and morphogenesis / T. Taniyama // Sci. Rice Plant. Tokyo. – 1993. – V. 1. – P. 601- 605.
  5. Tester M., Davenport R. Na+Tolerance and Na+Transport in Higher Plants / M. Tester, R. Davenport // Annals of Botany. – 2003. – 91. – Р. 503-527.
  6. Koca H., Bor M., Özdemir F. The effect of salt stress on lipid peroxidation, antioxidative enzymes, and proline content of sesame cultivars / H. Koca, M. Bor, F Özdemir // Environ Exp. Bot. – 2007. – 60. – Р. 344-351.
  7. Koshkin E. I. Physiology of stability of agricultural crops / E. I. Koshkin Moscow: Drofa. – – 638 p. [in Russian].
  8. Pankova E. I. Saline soils of Russia / E. I. Pankova [et al.] – Moscow: Akademkniga, 2006. – 854 p
  9. Lakin G. F. Biometrics /G. F. Lakin. M.: Higher school, 1980. – 295 p. [in Russian].
  10. Lisitsyn E.M., Akhmanova O.S. Genetic diversity of spring soft wheat varieties by aluminum stability / E.M. Lisitsyn, O.S. Akhmanova // Vavilov journal of genetics and plant breeding. – - Vol. 18. – No. 3. – P. 497-505. [in Russian].
  11. Udovenko G.V. Physiological mechanisms of plant adaptation to various extreme conditions / G.V. Udovenko // Works on applied botany, genetics and breeding. – –T. 64. – Issue 3. – P. 5-21. [in Russian].
  12. Craig J. R.. Earth resources: origin, use, and environmental impact / J. R. Craig, J. Vaughan, B. J. Skinner // Prentice Hall, New Jersey. – 1996. – 196 p. [in Russian].
  13. Manns R. Comparative physiology of salt and water stress / R. Manns // Environment of Plant Cells. – –25. – Р. 239-250.
  14. Wungrampha S. Photosynthesis and salinity: are these mutually exclusive? / Wungrampha, R. Joshi, S.L Singla-Pareek, A. Pareek // Photosynthetica. – 2018. – Vol. 56. – № 1. – P. 366-381.
  15. Akanov E.N. Features of the photosynthetic reaction of spring barley varieties as an indicator of their adaptive capabilities / E.N. Akanov, V.V. Pylnev, Salama Hassan // Proceedings of the TSHA. – – Issue. 3. – Р. 78-84. [in Russian].