Пути адаптации разных сортов груши к низкотемпературному стрессу в весенний период

Хорошо известная семечковая культура – груша – на территории России занимает около 7 % общих площадей насаждений многолетних плодовых культур. Основную долю грушевых садов составляют зарубежные европейские сорта. Возвратные заморозки, которые характерны для южных регионов страны в весенний период, приводят к значительным потерям урожая. В настоящей работе изучены особенности ответных реакций цветочных почек сортов груши на низкотемпературный стресс. Исследовали крымский сорт Джанкойская поздняя, два краснодарских сорта Левен и Фламенко, а также межвидовой гибрид Киффер. Цветочные почки на разных стадиях развития промораживали в климатической камере в течение 12 ч при температуре –1.5…–2.0 °С. После стресса определяли активность некоторых ферментов антиоксидантной системы, содержание фенольных соединений, малонового диальдегида и уровень экспрессии генов тех же ферментов и белков, участвующих в холодовой адаптации. Выявлено, что осенний сорт Киффер в условиях Краснодарского края быстрее других изученных сортов начинает цвести, вследствие чего наиболее подвержен воздействию возвратных заморозков, о чем свидетельствуют высокие значения малонового диальдегида и уровень активности супероксиддисмутазы. Отечественные сорта Левен (зимний сорт) и Фламенко (летний) обладали самыми высокими показателями активности пероксидазы и экспрессии генов PcDREB2, PcCAP160, PcCOR413, PcPOX1 на фоне сниженного уровня малонового диальдегида. Как правило, данные сорта позднее выходили из состояния покоя по сравнению с сортом Киффер. Крымский сорт зимнего срока созревания был ближе по исследуемым параметрам к межвидовому гибриду, но отличался меньшими показателями ферментативной активности и экспрессией рассматриваемых генов. Полученные результаты позволяют заключить, что в условиях произрастания груши на территории южного региона страны, где возможны возвратные заморозки в весенний период, большей физиологической устойчивостью обладают сорта с началом цветения во второй-третьей декадах апреля, характеризующиеся высокими показателями антиоксидантной ферментативной активности, в первую очередь пероксидазы, и уровнем экспрессии генов PcDREB2, PcCAP160 и PcCOR413.

1. Ainsworth E.A., Gillespie K.M. Estimation of total phenolic content and other oxidation substrates in plant tissues using Folin–Ciocalteu reagent. Nat Protoc. 2007;2:875-877. doi 10.1038/nprot.2007.102

2. Asayesh Z.M., Arzani K., Mokhtassi-Bidgoli A., Abdollahi H. Enzymatic and non-enzymatic response of grafted and ungrafted young European pear (Pyrus communis L.) trees to drought stress. Sci Hortic. 2023;310:111745. doi 10.1016/j.scienta.2022.111745

3. Azarabadi S., Abdollahi H., Torabi M., Salehi Z., Nasiri J. ROS generation, oxidative burst and dynamic expression profiles of ROSscavenging enzymes of superoxide dismutase (SOD), catalase (CAT ) and ascorbate peroxidase (APX ) in response to Erwinia amylovora in pear (Pyrus communis L.). Eur J Plant Pathol. 2017;147:279-294. doi 10.1007/s10658-016-1000-0

4. Bandurko I.A. Assessment of the gene pool of the Pear by resistance to adverse factors of the winter period in the foothill zone of the NorthWest Caucasus. Science and Innovation. 2024;21:88-92 (in Russian)

5. Bonyanpour A.R., Jamali B. Seasonal enzymatic and non-enzymatic antioxidant responses in seven Iranian pomegranate cultivars. Adv Hortic Sci. 2020;34(3):265-276

6. Boyarkin A.N. A quick method for determining the activity of peroxidase. Biochemistry. 1951;16(4):352-355 (in Russian)

7. Bradford M.M. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein dye binding. Anal Biochem. 1976;72(1-2):248-254. doi 10.1016/0003-2697(76)90527-3

8. Busatto N., Giné-Bordonaba J., Larrigaudière C., Lindo-Garcia V., Farneti B., Biasioli F., Vrhovsek U., Costa F. Molecular and biochemical differences underlying the efficacy of lovastatin in preventing the onset of superficial scald in a susceptible and resistant Pyrus communis L. cultivar. Postharvest Biol Technol. 2021;173:111435. doi 10.1016/j.postharvbio.2020.111435

9. Du F., Xu J.-N., Li D., Wang X.-Y. The identification of novel and differentially expressed apple-tree genes under low-temperature stress using high-throughput Illumina sequencing. Mol Biol Rep. 2015;42: 569-580. doi 10.1007/s11033-014-3802-5

10. Dumanovic J., Nepovimova E., Natic M., Kuca K., Jacevic V. The significance of reactive oxygen species and antioxidant defense system in plants: a concise overview. Front Plant Sci. 2021;11:552969. doi 10.3389/fpls.2020.552969

11. Efimova M.V., Kolomeichuk L.V., Boyko E.V., Malofii M.K., Vidershpan A.N., Plyusnin I.N. Golovatskaya I.F., Murgan O.K., Kuznetsov Vl.V. Physiological mechanisms of Solanum tuberosum L. plants’ tolerance to chloride salinity. Russ J Plant Physiol. 2018; 65(3):394-403. doi 10.1134/S1021443718030020

12. Evers S.M., Knight T.M., Inouye D.W., Miller T.X., Salguero-Gómez R., Iler A.M., Compagnoni A. Lagged and dormant season climate better predict plant vital rates than climate during the growing season. Glob Chang Biol. 2021;27(9):1927-1941. doi 10.1111/gcb.15519

13. Gabay G., Flaishman M.A. Genetic and molecular regulation of chilling requirements in pear: breeding for climate change resilience. Front Plant Sci. 2024;15:1347527. doi 10.3389/fpls.2024.1347527

14. Hikmawanti N., Fatmawati S., Asri A.W. The effect of ethanol concentrations as the extraction solvent on antioxidant activity of katuk (Sauropus androgynus (L.) Merr.) leaves extracts. IOP Conf Ser Earth Environ Sci. 2021;755:012060. doi 10.1088/1755-1315/755/1/012060

15. Hussain S., Liu G., Liu D., Ahmed M., Hussain N., Teng Y. Study on the expression of dehydrin genes and activities of antioxidative enzymes in floral buds of two sand pear (Pyrus pyrifolia Nakai) cultivars requiring different chilling hours for bud break. Turk J Agric For. 2015;39(6):930-939. doi 10.3906/tar-1407-164

16. Klyukina A.V., Dragavtseva I.A., Oplachko R.A. Study of fruit crops varieties’ needs in temperature regime of their development phases (on the example of pear varieties). Fruit Growing and Viticulture of South Russia. 2024;89(5):49-58. doi 10.30679/2219-5335-2024-5-89-49-58 (in Russian)

17. Kolomiyts I.A. Biological analysis of the development of flower buds in an apple tree. Doklady Akademii Nauk SSSR. 1952;84(4):821-824 (in Russian)

18. Lee J.C., Park Y.S., Jeong H.N., Kim J.H., Heo J.Y. Temperature changes affected spring phenology and fruit quality of apples grown in high-latitude region of South Korea. Horticulturae. 2023;9(7): 794. doi 10.3390/horticulturae9070794

19. Li Y., Zhang J., Wang S., Zhang H., Liu Y., Yang M. Integrative transcriptomic and metabolomic analyses reveal the flavonoid biosynthesis of Pyrus hopeiensis flowers under cold stress. Hortic Plant J. 2023;9(3):395-413. doi 10.1016/j.hpj.2022.11.004

20. Lin S., Li Y., Zhao J., Guo W., Jiang M., Li X., Liu W., Zhang J., Yang M. Transcriptome analysis of biochemistry responses to lowtemperature stress in the flower organs of five pear varieties. Forests. 2023;14(3):490. doi 10.3390/f14030490

21. Livak K.J., Schmittgen T.D. Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2–ΔΔCT method. Methods. 2001;25(4):402-408. doi 10.1006/meth.2001.1262

22. New Methods of Radical Increase in Yields of Fruit Crops Based on the Theory of the Environmental and Genetic Organization of Quantitative Features in the Context of Climate Fluctuation. Krasnodar, 2023 (in Russian)

23. Nham N.T., Macnish A.J., Zakharov F., Mitcham E.J. ‘Bartlett’ pear fruit (Pyrus communis L.) ripening regulation by low temperatures involves genes associated with jasmonic acid, cold response, and transcription factors. Plant Sci. 2017;260:8-18. doi 10.1016/j.plantsci.2017.03.008

24. Program and Methodology of Varietalization of Fruit, Berry and Walnut Crops. Orel, 1999 (in Russian)

25. Queiroz C., da Silva A.J.R., Lopes M.L.M., Fialho E., Valente-Mesquita V.L. Polyphenol oxidase activity, phenolic acid composition and browning in cashew apple (Anacardium occidentale L.) after processing. Food Chem. 2011;125(1):128-132. doi 10.1016/j.foodchem.2010.08.048

26. Şahin Ö., Dumanoğlu H., Sarikamiş G., Javadisaber J., Ergül A., Aydemir B.Ç. Tolerance of Pyrus spp. and Cydonia oblonga as pear rootstocks to iron chlorosis determined by in vitro growth, antioxidant and molecular responses. Sci Hortic. 2022;296:110911. doi 10.1016/j.scienta.2022.110911

27. Shitt P.G. The Study of the Growth and Development of Fruit and Berry Plants. Moscow, 1958 (in Russian)

28. Sotnik A.I., Babina R.D., Khoruzhy P.G. Comparative assessment of resistance of the generative organs of pear varieties (Pirus communis L.) to low-temperature stresses under the conditions of Crimea. Izvestia Orenburg State Agrarian University. 2017;3(65):72-74 (in Russian)

29. Sundyreva M.A., Stepanov I.V., Suprun I.I., Ushakova Y.V. A modified protocol of RNA isolation from mature leaves of grapes for RT-PCR. Scientific Journal of Kuban State Agrarian University. 2018;143:16- 30. doi 10.21515/1990-4665-143-012 (in Russian)

30. Suzuki N., Koussevitzky S., Mittler R., Miller G. ROS and redox signalling in the response of plants to abiotic stress. Plant Cell Environ. 2012;35(2):259-270. doi 10.1111/j.1365-3040.2011.02336.x

31. Treml J., Mejkal K. Flavonoids as potent scavengers of hydroxyl radicals. Compr Rev Food Sci Food Saf. 2016;15(4):720-738. doi 10.1111/1541-4337.12204

32. Wei Z., Gao T., Liang B., Zhao Q., Ma F., Li C. Effects of exogenous melatonin on methyl viologen-mediated oxidative stress in apple leaf. Int J Mol Sci. 2018;19(1):316. doi 10.3390/ijms19010316

33. Xiao L.J., Asseng S., Wang X.T., Xia J.X., Zhang P., Liu L.L., Tang L., Cao W., Zhu Y., Liu B. Simulating the effects of low-temperature stress on wheat biomass growth and yield. Agric For Meteorol. 2022;326:109191. doi 10.1016/j.agrformet.2022.109191

34. Yang T., Huang X.-S. Deep sequencing-based characterization of transcriptome of Pyrus ussuriensis in response to cold stress. Gene. 2018;661:109-118. doi 10.1016/j.gene.2018.03.067

35. Zhai R., Liu J., Liu F., Zhao Y., Liu L., Fang C., Wang H., Li X., Wang Z., Ma F., Xu L. Melatonin limited ethylene production, softening and reduced physiology disorder in pear (Pyrus communis L.) fruit during senescence. Postharvest Biol Technol. 2018;139:38-46. doi 10.1016/j.postharvbio.2018.01.017

36. Zhang S. Recent advances of polyphenol oxidases in plants. Molecules. 2023;28(5):2158. doi 10.3390/molecules28052158

37. Zhang Y., Wu L., Liu L., Jia B., Ye Z., Tang X., Heng W., Liu L. Functional analysis of PbbZIP11 transcription factor in response to cold stress in Arabidopsis and pear. Plants. 2023;13(1):24. doi 10.3390/plants13010024

38. Zhao Y., Hu M.Y., Wang Q., Yan X.K., Lu M.Y., Wu C.H., Li H.Y., Zhang M.J. Climate variation and its influence on the cold tolerance and phenology periods of pear cultivars in Jilin, China. Int J Fruit Sci. 2023;23(1):165-180. doi 10.1080/15538362.2023.2249995