Биотехнологические методы ускоренной селекции картофеля

Текст: З. Б. Давлятназарова, канд. биол. наук, вед. науч. сотр., Институт ботаники, физиологии и генетики растений Академии наук Республики Таджикистан

Картофель является одной из приоритетных продовольственных культур как в Республике Таджикистан, так и в России. Производство данной продукции в обеих странах находится на стабильно высоком уровне, однако по-прежнему остается актуальным вопрос повышения урожайности этого клубненосного растения посредством выведения высокопродуктивных сортов, адаптированных к различным стрессам.

Один из современных подходов к решению данной проблемы — использование биотехнологических методов. Подобные инновационные способы позволяют in vitro вести отбор растений, устойчивых к распространенным неблагоприятным климатическим условиям и патогенам, уменьшают физические объемы экспериментального материала, трудозатраты и значительно сокращают сроки получения новых высокопродуктивных сортов.

НА КЛЕТОЧНОМ УРОВНЕ

При реализации биотехнологических методов особый акцент необходимо делать на отбор линий и генотипов растений, обладающих новыми наследуемыми признаками на уровне клетки, ткани и органа. Известно, что клеточные механизмы устойчивости к стрессорам являются сходными как для элементарных единиц строения и жизнедеятельности всех живых организмов, культивируемых in vitro, так и для целых растений. По этой причине селекция на клеточном уровне имеет реальную перспективу для создания невосприимчивых к высокой температуре и повышенному содержанию солей в почве сортов или гибридов.

Ни для кого не секрет, что засоление ведет к быстрому ингибированию ростовых процессов как устойчивых, так и восприимчивых разновидностей одной культуры. Различия между разночувствительными сортами можно выявить только через несколько недель после начала солевого воздействия, поскольку на начальном этапе у растений наблюдается осмотический шок, и только спустя некоторое время они проявляют свои защитные механизмы от токсического влияния ионов. Сегодня наиболее распространенной считается стандартная оценка устойчивости к соли, основанная на ростовой реакции растений. Однако она является слишком трудоемкой, требует большого количества времени и площадей для выращивания. Поэтому поиск и разработка новых перспективных подходов, в частности, базирующихся на использовании метода культивируемых клеток растений in vitro, являются актуальными и перспективными.

ЭКСПЕРИМЕНТЫ В ПРОБИРКЕ

Опираясь на принципы селекции на клеточном уровне, специалисты Института ботаники, физиологии и генетики растений Академии наук Республики Таджикистан провели ряд научных исследований. Их основной целью стала разработка эффективных инновационных технологий, направленных на ускорение селекционно-семеноводческого процесса в картофелеводстве, а также выявление механизмов устойчивости различных генотипов этой клубненосной культуры к действию абиотических факторов среды, в частности, к засолению почв. Объектами исследований стали гибриды, представленные Международным центром картофеля, или CIP, головной офис которого располагается в Перу, а также сорта, районированные в стране осуществления опытов.

На первом этапе научной работы были произведены лабораторные опыты по выращиванию картофеля in vitro и отобраны наиболее устойчивые к засолению образцы. Для этого отрезки междоузлий растений культивировались в питательной среде Мурасиге-Скуга, содержащей 0,5, 1 и 1,5 процента хлористого натрия. Выборка проводилась по нескольким параметрам: выживаемость растительных организмов, сырая масса, высота стеблей, длина междоузлий, количество и протяженность корней, клубнеобразование in vitro.

ПОДАВЛЕНИЕ РАЗВИТИЯ

Исследования показали, что при увеличении концентрации NaCl в среде культивирования усиливалось его ингибирующее воздействие на выживаемость растений и их ростовые процессы. При содержании хлористого натрия в объеме 0,5 процента первый параметр колебался от 80 до 100 процентов, причем листья имели окраску от светло-зеленого до темно-зеленого цвета, а все опытные образцы формировали корни и вторичные побеги. При концентрации NaCl, равной одному проценту, выживаемость составляла 20–100 процентов, наблюдалось замедление или полное отсутствие процесса образования корней, однако цвет листьев сохранялся зеленым. В случае повышения уровня содержания хлористого натрия до 1,5 процента у большинства гибридов отмечалось угнетение роста побегов на 80–90 процентов и некроз листьев. Более того, у контрольного сорта «Пикассо» при концентрации NaCl в объеме одного процента уже происходило резкое ингибирование роста, а при повышении данного показателя до 1,5 процента он полностью подавлялся. Изучение процессов клубнеобразования in vitro солеустойчивых клон-гибридов картофеля также показало, что в присутствии NaCl в среде культивирования далеко не все генетически однородные растения имели способность к формированию клубней.

ОПРЕДЕЛИТЬ ЗАКОНОМЕРНОСТЬ

На втором этапе исследований генотипы картофеля, отобранные in vitroи обладающие устойчивостью к повышенным концентрациям хлористого натрия в среде выращивания, тестировались в полевых условиях. Эксперименты проводились на участках, где наблюдалось внушительное содержание соли в почве, отмечалось увеличение уровня засоления за период вегетации от слабо- до среднезасоленного, а также имело место изменение его типа от сульфатного до хлоридно-сульфатного.

Данные морфофизиологических наблюдений на 50, 70 и 90 дни после посадки показали, что общий процент всхожести семян равнялся 92,6 процента. Среднее количество стеблей на один опытный образец составило 3,4 штуки. По сравнению с 50 днем высота растений на 90 сутки существенно увеличилась, однако относительно 70 дня данный показатель изменился незначительно. Увеличение общей площади листьев наиболее активно происходило в течение 50–70 суток после посадки и к 90 дню продемонстрировало интенсивный прирост по сравнению с 50 сутками. При этом угнетение ростовых процессов по мере усиления действия соли наблюдалось у контрольного варианта в большей степени, чем у устойчивых генотипов картофеля, то есть клоны, отличавшиеся невосприимчивостью к засолению в лабораторных условиях, обладали этой особенностью и при выращивании их в почвах, содержащих повышенный уровень соли.

Табл. 1. Морфофизиологические параметры устойчивых клон-гибридов картофеля на 50, 70 и 90 день после посадки (ДПП) в полевых условиях

Примечания: ^* Номер по каталогу института; ^** Номер по каталогу CIP

НОВЫЙ МЕТОД

Таким образом, в процессе отбора in vitro и испытаний различных генотипов картофеля при действии солевого стресса был разработан современный скрининг-метод на солеустойчивость. Из 60 гибридов, представленных Международным центром картофеля, были выбраны невосприимчивые к данному стрессу генотипы и проведено их сравнительное испытание в полевых условиях. Эксперименты подтвердили, что отобранные in vitro иустойчивые к солевому фактору клоны картофеля сохраняют свою характеристику при высадке в почву. При этом концентрация хлористого натрия, равная 1,5 процента, в среде культивирования является лимитирующей, а содержание этого вещества на уровне одного процента — пограничным, поэтому дальнейшие оценки устойчивости к соли растений картофеля можно проводить с учетом именно этих показателей. Более того, невосприимчивость полученных генотипов подтвердилась на эндогенном уровне. Так, изучение некоторых биохимических показателей стрессоустойчивости, например, уровня антиоксидантных ферментов и продуктов перекисного окисления липидов, показало, что невосприимчивые генотипы отличались по этим параметрам от чувствительных образцов. Таким образом, благодаря разработанному методу появилась возможность быстрого отбора устойчивых к засолению генотипов картофеля и создания на их основе новых сортов этой культуры, которые смогут получить широкое применение в регионах с повышенным содержанием соли в почве.