vavilovВавиловский журнал генетики и селекцииVavilov Journal of Genetics and Breeding2500-3259Institute of Cytology and Genetics of Siberian Branch of the RAS10.18699/VJ19.456vavilov-1863Research ArticleГЕНОФОНД И СЕЛЕКЦИЯ РАСТЕНИЙPLANT GENE POOL AND BREEDINGГенотипическая изменчивость Pinus sylvestris L. по признаку засухоустойчивостиGenotypic variability of Pinus sylvestris L. on the drought-resistance attributehttps://orcid.org/0000-0001-6800-7944АминеваЕ. Ю.AminevaE. Yu.

Воронеж

Voronezh

elena.pardaeva@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3562-5329ГуреевА. П.GureevA. P.

Воронеж

Voronezh

ТабацкаяТ. М.TabatskayaT. M.

Воронеж

Voronezh

https://orcid.org/0000-0001-8252-2192МашкинаО. С.MashkinaO. S.

Воронеж

Voronezh

https://orcid.org/0000-0003-1294-8686ПоповВ. Н.PopovV. N.

Воронеж

Voronezh

Всероссийский научно-исследовательский институт лесной генетики, селекции и биотехнологииРоссияAll-Russian Research Institute of Forest Genetics, Breeding and BiotechnologyRussian FederationВоронежский государственный университетРоссияVoronezh State UniversityRussian FederationВсероссийский научно-исследовательский институт лесной генетики, селекции и биотехнологии; Воронежский государственный университетРоссияAll-Russian Research Institute of Forest Genetics, Breeding and Biotechnology; Voronezh State UniversityRussian Federation2019250220192311523Copyright © Аминева Е.Ю., Гуреев А.П., Табацкая Т.М., Машкина О.С., Попов В.Н., 20192019Аминева Е.Ю., Гуреев А.П., Табацкая Т.М., Машкина О.С., Попов В.Н.Amineva E.Y., Gureev A.P., Tabatskaya T.M., Mashkina O.S., Popov V.N.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vavilov.elpub.ru/jour/article/view/1863

В связи с глобальным изменением климата в последние десятилетия отмечается учащение и усиление засух. Не все растительные организмы способны адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды. Поэтому вопрос отбора стрессоустойчивых (засухоустойчивых) генотипов, перспективных для проведения селекционных работ, стоит достаточно остро. Проблема касается и лесных древесных растений, в том числе сосны обыкновенной, являющейся одним из основных лесообразователей на территории Воронежской области. В настоящем исследовании приведены результаты анализа вегетативной и генеративной сферы отдельных деревьев сосны обыкновенной с помощью биотехнологического, молекулярно-генетического и цитогенетического методов. Возможность применения метода культуры ткани in vitro с целью тестирования исходных растений на стрессоустойчивость, в том числе и засухоустойчивость, объясняется взаимосвязью свойств клеток, тканей и целого растения. Показано, что у различающихся генотипов цитогенетические характеристики семенного потомства и показатели каллусогенных реакций не всегда совпадают: у одних энергетические ресурсы тратятся на защиту онтогенеза, у других – на поддержание репродуктивной функции. Выделены деревья, состояние генеративной сферы которых в засушливые годы находится на уровне оптимальных лет и реакция их каллусных культур остается неизменной даже в моделируемых условиях засухи. На основе полученных результатов для отбора засухоустойчивых генотипов сосны обыкновенной предлагаем использовать систему критериев, характеризующих как способность вегетативной сферы к выживанию в условиях засухи на основе метода культуры ткани in vitro (скорость формирования каллусной ткани, ее жизнеспособность, частота каллусогенезов), так и состояние генеративной сферы с помощью цитогенетического анализа семенного потомства (частота патологий митоза, доля клеток с микроядрами, митотическая активность). Целесообразность применения биотехнологического подхода была доказана с помощью анализа уровня экспрессии генов стрессовых белков: между уровнем экспрессии гена AbaH и показателем жизнеспособности каллусных культур установлена сильная корреляционная связь, в том числе и на питательной среде с дополнительным стрессовым агентом (NaCl). Деревья, которые по результатам анализа можно отнести к засухоустойчивым, следует рекомендовать для использования в работах по селекции.

There was an increase and intensification of droughts in connection with global climate change in recent decades. Not all plant organisms are able to adapt to changing environmental conditions. Therefore, the question of stressresistant (drought-resistant) genotypes selection for breeding is quite urgent. This problem also concerns forest tree plants, including Scots pine, which is one of the main foresters in the Voronezh region. The results of vegetative and generative sphere analysis of individual Scotch pine trees with the help of biotechnology, molecular-genetic and cytogenetic method are given in this study. The possibility of applying the tissue culture method in vitro for testing initial plants for stress resistance, including drought resistance, is explained by the interconnection of cells, tissues and the whole plant properties. It is shown that the cytogenetic characteristics of the seed progeny and the indicators of callusogenic reactions do not always coincide in different genotypes: in some cases energy resources are spent on ontogeny protection, while, in other cases, to reproductive function maintain. There are trees, in which the state the generative sphere in arid years is at the level of optimal years, and their callus cultures reaction remains unchanged even under simulated conditions of drought. Based on the results obtained for the selection of Scots pine drought-resistant genotypes we suggest applying a system of criteria characterizing both the ability of the vegetative sphere to survive in drought conditions on the basis of the tissue culture method in vitro (callus tissue formation speed, its viability, frequency of callusogenesis), and the state of the generative sphere with the help of cytogenetic analysis of seed progeny (frequency of mitosis pathologies, the proportion of cells with micronuclei, mitotic activity). The expediency of applying the biotechnological approach was proved by analysis of the gene expression level of stress proteins: the level of AbaH gene expression correlates greatly with the indicator of the viability of callus cultures, including ones on a nutrient medium with an additional stress agent (NaCl). Trees that can be assigned to drought-resistant ones, according to the results of the analysis, should be recommended for use in breeding.

Pinus sylvestris L.засухазасухоустойчивостькаллусыэкспрессия геновжизнеспособность каллусных культурмитозPinus sylvestris L.droughtdrought-resistancecallusgene expressionviability of callus culturesmitosisReferencesАминева Е.Ю., Табацкая Т.М., Машкина О.С., Попов В.Н. Оценка засухоустойчивости отдельных генотипов Pinus sylvestris L. на основе метода культуры ткани in vitro в моделируемых стрессовых условиях. Тр. Санкт-Петербургского НИИ лесного хозяйства. 2017;1:14-22.Аmineva E.Yu., Tabatskaya T.M., Mashkina O.S., Popov V.N. Assessment of drought resistance in individual genotypes of Pinus sylvestris L. by the in vitro tissue culture method under simulated stress conditions. Trudy Sankt-Peterburgskogo Nauchno-Issledovatel’skogo Instituta Lesnogo Khozyaystva = Proceedings of the Saint Petersburg Forestry Research Institute. 2017;1:14-22. DOI 10.21178/2079-6080.2017.1.14. (in Russian)Буторина А.К., Вострикова Т.В., Бельчинская Л.И., Кондратьева Л.В. Влияние промышленных сточных вод на цитогенетические показатели березы повислой. Лесн. хоз-во. 2005;6:27-28.Butorina А.K., Vostrikova T.V., Bel’chinskaya L.I., Kondrat’evaL.V. The influence of industrial wastewater on the cytogenetic parameters of white birch. Lesnoe Khozyaystvo = Forestry. 2005;6:27-28. (in Russian)Буторина А.К., Калаев В.Н., Карпова С.С. Цитогенетические нарушения в соматических клетках человека и березы повислой в районах г. Воронежа с различной интенсивностью антропогенного загрязнения. Экология. 2002;6:438-441.Butorina А.K., Kalaev V.N., Karpova S.S. Cytogenetic damage of human somatic cells and weeping birch cells in Voronezh districts with different levels of anthropogenic pollution. Russian Journal of Ecology. 2002;6:413-416.Буторина А.К., Калаев В.Н., Миронов А.Н., Смородинова В.А., Мазурова И.Э.,Дорошев С.А.,Сенькевич Е.В. Цитогенетическая изменчивость в популяциях сосны обыкновенной. Экология. 2001;3:216-220.Butorina А.K., Kalaev V.N., Mironov А.N., Smorodinova V.А., Mazurova I.E., Doroshev S.А., Sen’kevich E.V. Cytogenetic variation in populations of scots pine. Russian Journal of Ecology. 2001; 3:198-202.Генкель П.А. Физиология жаро- и засухостойчивости растений. М., 1982.Genkel’ P.А. Physiology of Heat and Drought Tolerance in Plants. Moscow, 1982. (in Russian)Егорова Н.А. Разработка методических основ клеточной селекции лаванды in vitro на устойчивость к NaCl. Экосистемы, их оптимизация и охрана. 2011;5:173-179.Egorova N.A. Methodological bases of the development of lavender cell selection in vitro for resistance to NaCl. Ekosistemy, ikh Optimizatsiya i Okhrana = Optimization and Protection of Ecosystems. 2011;5:173-179. (in Russian)Игнатова С.А. Клеточные технологии в растениеводстве, генетике и селекции возделываемых растений: задачи, возможности, разработки систем in vitro. Одесса: Астропринт, 2011.Ignatova S.А. Cell Technologies in Plant Industry, Genetics, and Breeding of Cultivated Plants: Tasks, Opportunities, and Development of in vitro Systems. Odessa: Astroprint Publ., 2011. (in Russian)Ильинских Н.Н., Ильинских И.Н., Некрасов В.Н. Использование микроядерного теста в скрининге и мониторинге мутагенов. Цитология и генетика. 1988;22(1):67-72.Il’inskikh N.N., Il’inskikh I.N., Nekrasov V.N. Use of the micronuclear test in the screening and monitoring of mutagens. Tsytologiya i Genetika = Cytology and Genetics. 1988;22(1):67-72. (in Russian)Кузнецова Н.Ф. Чувствительность генеративной сферы сосны обыкновенной к засухе в Воронежской области. Лесоведение. 2010;6:58-65.Kuznetsova N.F. The drought sensitivity of the Scots pine reproductive system in the Voronezh region. Lesovedenie = Forest Sciences. 2010;6:58-65. (in Russian)Кузнецова Н.Ф. Особенности семеношения сосны обыкновенной на территории ЦЧР в засуху 2010 г. Хвойные бореальной зоны. 2012;30(3-4):270-276.Kuznetsova N.F. Features of Scotch pine seeding in the Central Black Earth region in the 2010 drought. Khvoynye Borealnoy Zony = Conifers of the Boreal Area. 2012;30(3-4):270-276. (in Russian)Кузнецова Н.Ф. Развитие неспецифической и специфической реакций у Pinus sylvestris L. на популяционном уровне в стрессовом градиенте засушливых лет. Экология. 2015;5:332-338.Kuznetsova N.F. Development of specific and nonspecific reponses to stress in Pinus sylvestris L. at population level in a gradient of drought years. Russian Journal of Ecology. 2015;5:405-410.Кузнецова Н.Ф., Машкина О.С. Патент на селекционное достижение «Сосна Острогожская». № 9187 от 21.07.2017. Заявка № 8355164 от 26.10.2016. Воронежская область, с. Солдатское, Острогожское лесничество.Kuznetsova N.F., Mashkina O.S. Ostrogozhskaya Pine. Patent RF for Breeding Invention No. 9187 of 21.07.2017. (in Russian)Кунах В.А. Пластичность генома соматических клеток и адаптивность растений. Молекулярная и прикладная генетика. 2011;12: 7-14.Kunakh V.А. Plasticity of the somatic cell genome and plant adaptability. Molekulyarnaya i Prikladnaya Genetika = Molecular and Applied Genetics. 2011;12:7-14. (in Russian)Лутова Л.А. Биотехнология высших растений. СПб., 2010.Lutova L.А. Biotechnology of Higher Plants. St. Petersburg, 2010. (in Russian)Миркин Б.М., Наумова Л.Г., Соломец А.И. Современная наука о растительности. М., 2000.Mirkin B.M., Naumova L.G., Solomets А.I. Modern Plant Science. Moscow, 2000. (in Russian)Митрофанов Ю.А. Радиочувствительность клеток на различных фазах митотического цикла. Успехи современной генетики. М.: Наука, 1969;125-160.Mitrofanov Yu.А. Radiosensitivity of cells at various phases of the mitotic cycle. Advances in Current Genetics. Moscow: Nauka Publ., 1969;125-160. (in Russian)Пардаева Е.Ю., Машкина О.С., Кузнецова Н.Ф. Состояние генеративной сферы сосны обыкновенной как биоиндикатора устойчивости лесов на территории Центрально-Черноземного района в связи с глобальным изменением климата. Тр. СанктПетербургского НИИ лесного хозяйства. 2013;2:16-17.Pardaeva E.Yu., Mashkina O.S., Kuznetsova N.F. The state of Scots pine reproductive system as a bioindicator of forest stability in the Central Black Earth region in connection with the global climate change.Trudy Sankt-Peterburgskogo Nauchno-Issledovatel’skogo Instituta Lesnogo Khozyaystva = Proceedings of the Saint Petersburg Forestry Research Institute. 2013;2:16-17. (in Russian)Пахомова В.М. Основы фитострессологии. Казань: Изд-во КГСХА, 1999.Pakhomova V.M. Basics of Plant Stressology. Kazan, 1999. (in Russian)Правдин Л.Ф. Сосна обыкновенная. Изменчивость, внутривидовая систематика и селекция. М.: Наука, 1964.Pravdin L.F. Scots Pine. Variability, Intraspecific Taxonomy, and Breeding. Moscow: Nauka Publ., 1964. (in Russian)Россеев В.М., Белан И.А., Россеева Л.П. Тестирование in vitro яровой мягкой пшеницы и ячменя на устойчивость к неблагоприятным абиотическим факторам среды. Докл. РАСХН. 2010;3: 14-16.Rosseyev V.М., Belan I.А., Rosseyeva L.P. In vitro test of spring soft wheat and barley for resistance to adverse abiogenic environmental factors. Doklady Rossiyskoy Akademii Selskokhozyaystvennykh Nauk = Proceedings of the Russian Academy of Agricultural Sciences. 2010;3:14-16. (in Russian)Россеев В.М., Белан И.А., Россеева Л.П. Использование метода in vitro в селекции пшеницы мягкой яровой. Вестн. Алтайск. гос. аграр. ун-та. 2016;2(136):5-9.Rosseyev V.М., Belan I.А., Rosseyeva L.P. The in vitro method in spring soft wheat breeding. Vestnik Altayskogo Gosudarstvennogo Agrarnogo Universiteta = Bulletin of the Altai State Agricultural University. 2016;2(136):5-9. (in Russian)Соболева Г.В. Влияние осмотического стресса на процессы роста и морфогенеза в длительно пассируемых каллусных культурах гороха (Pisum sativum L.). Зернобобовые и крупяные культуры. 2013;1(5):8-15.Soboleva G.V. Effect of osmotic stress on growth and morphogenesis processes in long-propagated pea (Pisum sativum L.) callus cultures. Zernobobovye i Krupyanye Kul’tury = Legumes and Groat Crops. 2013;1(5):8-15. (in Russian)Терлецкая Н.В., Жумабаева Б.А., Хайленко Н.А. Действие солевого стресса на соматические клетки в суспензионной культуре пшеницы и ячменя. Вестн. КазНУ, Сер. Биологическая. 2008; 36(1):63-66.Terletckaya N.V., Zhumabaeva B.A., Hajlenko N.A. Effect of salinity stress on somatic cells in a wheat and barley suspension culture. Vestnik Kazahskogo Natsionalnogo Universiteta, Ser. Biologicheskaya = Bulletin of the Kazan National University (Ser. Biol.). 2008; 36 (1):63-66. (in Russian)Тимофеев-Ресовский Н.В., Яблоков А.В., Глотов Н.В. Очерк учения о популяции. М., 1973.Timofeev-Resovskiy N.V., Yablokov А.V., Glotov N.V. An Essay on Population. Mosсow, 1973. (in Russian)Топильская Л.А., Лучникова С.А., Чувашина Н.П. Изучение соматических и мейотических хромосом смородины на ацетогематоксилиновых давленых препаратах. Бюл. ЦГЛ им. И.В. Мичурина. 1975;22:107.Topil’skaya L.А., Luchnikova S.А., Chuvashina N.P. Study of somatic and meiotic currant chromosomes in acetohematoxylin squash slides. Byulleten Nauchnoy Informatsii Tsentral’noy Geneticheskoy Laboratorii imeni I.V. Michurina = Scientific Information Bulletin, Michurin Central Genetic Laboratory. 1975;22:107. (in Russian)Усманов И.Ю., Рахмакулова З.Ф., Кулагин А.Ю. Экологическая физиология растений. М.: Логос, 2001.Usmanov I.Yu., Rakhmakulova Z.F., Kulagin A.Yu. Ecological Plant Physiology. Moscow: Logos Publ., 2001. (in Russian)Чернодубов А.И., Смогунова О.А. Сосна обыкновенная в различных экологических условиях юга России. Экология Центрального Черноземья Российской Федерации. Липецк, 1998; 65-68.Chernodubov А.I., Smogunova O.А. Scots Pine in Various Ecological Conditions of southern Russia. Ecology of the Central Black Earth Region, Russian Federation. Lipetsk, 1998;65-68. (in Russian)Шакина Н.П., Иванова А.Р., Бирман Б.А., Скриптунова Е.Н. Блокирование: условия лета 2010 года в контексте современных знаний. Анализ условий аномальной погоды на территории России летом 2010 года. М.; Триада лтд, 2011;6-21.Shakina N.P., Ivanova А.R., Birman B.А., Skriptunova E.N. Blocking: the conditions of the summer of 2010 in the context of modern knowledge. Analysis of abnormal weather conditions in Russia in the summer of 2010. Moscow: Triada ltd, 2011;6-21. (in Russian)Шестибратов К.А., Лебедев В.Г., Мирошников А.И. Лесная биотехнология: методы, технологии, перспективы. Биотехнология. 2008;5:3-22.Shestibratov K.А., Lebedev V.G., Miroshnikov А.I. Forest biotechnology: methods, technologies, and prospects. Biotekhnologiya = Biotechnology. 2008;5:3-22. (in Russian)Яковец О.Г. Фитофизиология стресса. Курс лекций. Минск, 2009.Yakovets O.G. Plant physiology of Stress. Lecture Course. Minsk, 2009. (in Russian)Murashige T.A., Skoog Т. A revised medium for rapid growth and bioassays with tobaceo tissue cultures. Phisiol. Plant. 1962;15:473-497.Murashige T.A., Skoog Т. A revised medium for rapid growth and bioassays with tobaceo tissue cultures. Phisiol. Plant. 1962;15:473-497.Tardieu F. Plant tolerance to water deficit physical limits and possibilities for progress. Comp. R. GeoSci. 2005;337:57-67.Tardieu F. Plant tolerance to water deficit physical limits and possibilities for progress. Comp. R. GeoSci. 2005;337:57-67.Tugce K., Yasemin E. The effects of drought on plants and tolerance mechanisms. G.U. J. Science. 2005;5(4):723-740.Tugce K., Yasemin E. The effects of drought on plants and tolerance mechanisms. G.U. J. Science. 2005;5(4):723-740.Voronova A., Jansons A., Ruņģis D. Expression of retrotransposonlike sequences in Scots pine (Pinus sylvestris L.) in response to heat stress. Environ. Exp. Biol. 2011;9:121-127.Voronova A., Jansons A., Ruņģis D. Expression of retrotransposonlike sequences in Scots pine (Pinus sylvestris L.) in response to heat stress. Environ. Exp. Biol. 2011;9:121-127.Vuosku J., Läära E., Sääskilahti M., Muilu R., Sutela S., Altabella T., Sarjala T., Häggman H. Consistency of polyamine profiles and expression of arginine decarboxylase in mitosis during zygotic embryogenesis of Scots pine. Plant Physiol. 2006;142:1027-1038.Vuosku J., Läära E., Sääskilahti M., Muilu R., Sutela S., Altabella T., Sarjala T., Häggman H. Consistency of polyamine profiles and expression of arginine decarboxylase in mitosis during zygotic embryogenesis of Scots pine. Plant Physiol. 2006;142:1027-1038.Yang H., Shi G., Wang H., Xu Q. Involvement of polyamines in adaptation of Potamogeton crispus L. to cadmium stress. Aquat. Toxicol. 2010;100:282-288.Yang H., Shi G., Wang H., Xu Q. Involvement of polyamines in adaptation of Potamogeton crispus L. to cadmium stress. Aquat. Toxicol. 2010;100:282-288.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.