УДК 574.24+58.02
МОРФОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ АДАПТАЦИИ РАЗЛИЧНЫХ ГЕНОТИПОВ HALOXYLON APHYLLUM (CHENOPODIACEAE)
ПО ГРАДИЕНТУ ЗАСОЛЕНИЯ
© 2014 г. Е. В. Шуйская*, Е. В. Ли**, З. Ф. Рахманкулова*, Н. А. Кузнецова*,
К. Н. Тодерич***, П. Ю. Воронин*
*Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН 127276Москва, ул. Ботаническая, 35 e-mail: evshuya@mail.ru **Самаркандский государственный университет 140100 Узбекистан, г. Самарканд, Университетский бульвар, 15 e-mail: salev85@rambler.ru ***Международный центр по развитию сельского хозяйства на засоленных почвах (ИКБА) 100000 Узбекистан, г. Ташкент, ул. Осие, 6А e-mail: k.toderich@cgiar.org Поступила в редакцию 28.07.2013 г.
Исследовали растения Haloxylon аphyllum, выращенные из семян с различными генетическими характеристиками из трех субпопуляций, отличающихся по уровню засоления почвы. Растения, выращенные при разных уровнях NaCl (0—300 мМ), отличались по длине побегов, относительной скорости роста сырой и сухой биомассы, содержанию ионов и пролина. Показано, что у ксерогалофита саксаула черного преимущества по показателям продуктивности и устойчивости имеют гетерозиготные генотипы, выращенные в условиях умеренного и сильного засоления.
Ключевые слова: Haloxylon аphyllum, генотипы, засоление, биомасса.
Б01: 10.7868/80367059714030111
В связи с аридизацией климата важнейшей задачей современной науки и практики является мобилизация генетических ресурсов галофитов, создание коллекции и экологическая оценка, отбор ценных кормовых, пищевых, лекарственных, масличных видов, введение их в культуру для организации высокопродуктивного растениеводства (Коуго й а1., 2011). Как известно, степень засоления аридных территорий различна, поэтому одним из наиболее актуальных аспектов изучения адаптации галофитов к определенным условиям засоления считается понимание физиологических и биохимических механизмов, лежащих в основе приспособительных реакций у разных типов солеустойчивых растений.
Одним из основных средообразующих эдифи-каторов и экономически наиболее важных гало-фитов (почвоукрепитель, пастбищное кормовое растение и источник топлива для местного населения) на территории Туранской низменности (Центральная Азия) является На1оху1оп арку11ыш (Мткге) 1Щп, СИепороШасеае (саксаул безлистный, черный). Этот древовидный кустарник с фо-
тосинтезирующими суккулентными побегами может произрастать в понижениях рельефа на песчаных и гипсовых субстратах с различной степенью засоления (Никитин, 1966; ОШ^Ьш^ег е!а1., 2003). Показано (Шуйская и др., 2012; Ли и др., 2013), что в естественных условиях у Н. арку1-1ыш формируются два типа семян: первый тип — крупные (с ранней и быстрой всхожестью, гетерозиготными зародышами по 21—28% генов) и второй — мелкие (с более низкой и медленной всхожестью, гетерозиготными зародышами по 3—12% генов). При этом установлено, что мелкие семена продуцируются Н. арку11ыш в субоптимальных условиях, т.е. слабого (0—0.05 №+ ммоль/г) и сильного (0.3—0.5 №+ ммоль/г) засоления, а крупные — в оптимальных для данного ксерогалофита условиях умеренного (0.05—0.1 №+ ммоль/г) засоления. Таким образом, если в оптимальных условиях отбор идет в пользу гетерозигот, которые являются более "успешными" (так как гетерозиготность коррелирует с продуктивностью (Мапёак е! а1., 2006)), то в субоптимальных условиях идет отбор
в пользу гомозигот, и, вероятно, такие генотипы более успешны в данных условиях.
Подобные результаты были получены и на других представителях семейства Chenopodiaceae. Показано, что семена Atriplex tatarica L., проросшие в субоптимальных условиях, продуцировали больше гомозиготных растений, а гетерозиготные в основном произрастали в оптимальных условиях. Кроме того, была выявлена положительная корреляция между степенью гетерозиготности растений и массой стеблей и репродуктивных органов (Mandak et al., 2006). Имеются сведения (Cabin et al., 1997) о том, что всхожесть и выживаемость разнокачественных семян в конкретных условиях окружающей среды могут играть важную роль в формировании и поддержании генетической структуры природных популяций растений и эволюции видов.
В ряде исследований (Houle, 1989; Lonn et al., 1996) показано, что аллозимная гетерозиготность является хорошим показателем роста популяции и адаптивного потенциала. В то же время другие авторы (Reed, Frankham, 2003) утверждают, что такие молекулярные данные отражают лишь небольшую часть генома и, следовательно, не могут быть хорошим показателем адаптивных генетических различий. J. Mitton и M. Gran (1984) показали, что по крайней мере некоторые ферменты могут находиться под прямым отбором. Так, на растениях было установлено, что аллозимы фосфоглюкоизомеразы (Pgi) связаны с доступностью кислорода (Zangerl, Bazzaz, 1984), типом почвы (Nevo et al., 1981), влажностью и рН почвы (Prentice et al., 1995) и нахождением семян в различных местообитаниях (Lonn et al., 1996). Ранее нами было показано, что генетическим маркером разных типов семян у H. aphyllum может служить локус Got-2. Семена второго типа характеризуются преобладанием (84—100%) гомозиготных генотипов по локусу Got-2, тогда как семена первого типа имеют только (100%) гетерозиготные генотипы по данному локусу (Шуйская и др., 2012). Однако остались невыясненными следующие вопросы: 1) действительно ли из семян первого типа (гетерозиготных по Got-2) H. aphyllum вырастут более продуктивные растения в оптимальных для данного галофита водно-солевых условиях; 2) будут ли данные растения также высокопродуктивными в субоптимальных по засолению условиях; 3) в какой степени проявятся устойчивость и продуктивность растений из семян второго типа (гомозиготных по Got-2) в субоптимальных по засолению условиях.
Цель данной работы — изучение морфофизио-логических особенностей адаптации различных генотипов Haloxylon aphyllum к слабому и сильному засолению почвы.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Семена собраны в популяции H. aphyllum в Юго-Западном Кызылкуме на территории эко-центра "Джейран", Бухарская обл., Узбекистан (39°34' с.ш. и 64°42' в.д.). На территории популяции были выделены 3 участка, сходных по структуре почвы (мелкобугристые пески), но с различным уровнем засоления (0—0.05; 0.05—0.1 и 0.25— 0.3 Na+ ммоль/г). Семена первого типа, собранные с участка с умеренным засолением почвы (0.05—0.1 Na+ ммоль/г), имели размер 8.0 ± 0.2 мм и относительно высокий уровень генетического полиморфизма: средняя наблюдаемая гетерозиготность составила 12.7 %, гетерозиготность по локусу Got-2 — 100%. Семена второго типа, собранные с участков с засолением почвы 0—0.05 и 0.25—0.3 Na+ ммоль/г, характеризовались меньшими размерами — 6.4 ± 0.1 и 7.0 ± 0.2 мм соответственно, а также более низким уровнем генетического полиморфизма: средняя наблюдаемая гете-розиготность составила 6.5%, гетерозиготность по локусу Got-2 — 0%. Среднюю гетерозиготность рассчитывали по результатам изоферментного анализа (по: Шуйская и др., 2012) восьми ферментных систем: GOT (E.C. 2.6.1.1), DIA (E.C. 1.6.99), GDH (E.C. 1.4.1.2), SOD (1.15.1.1), G6PD (E.C. 1.1.1.49), 6PGD (1.1.1.44), MDH (Е.С. 1.1.1.37), Me (Е.С. 1.1.1.40). Семена собирали с 10—25 отдельных растений на каждом участке (субпопуляции). Расстояние между растениями было 5—50 м, между субпопуляциями — 1—5 км.
Семена проращивали в дистиллированной воде, 4-6-дневные проростки пересаживали на перлит, пропитанный 25%-ным питательным раствором Hoagland. В питательном растворе в соответствии с естественными условиями произрастания были созданы следующие концентрации NaCl: 100 мМ — для варианта оптимального засоления, 50, 200 и 300 мМ — для вариантов субоптимального засоления. Затем 35-дневные растения переводили на экспериментальные растворы (полив перлита). В качестве контроля использовали 25%-ный Hoagland. Опыт длился в течение 18 дней.
На фотосинтезирующих побегах у всех групп исследуемых растений оценивали следующие параметры: изменение сырой и сухой биомассы (W), относительную скорость роста (OCP = AW/W*At, где AW — прирост биомассы, W — исходная биомасса, At — сутки). Определяли содержание воды, накопление ионов натрия (Na+) и калия (K+), содержание пролина и хлорофилла.
Для измерения сухой биомассы и содержания воды растительные пробы высушивали двое суток при 80°C. Уровень содержания ионов Na+ и K+ в фотосинтезирующих органах определяли в водной вытяжке пробы (100 мг) на атомно-абсорбци-онном спектрометре (Hitachi 207, Japan), свободного пролина — с помощью кислого нингидрино-
Длина, см 5 4 3 2 1 0
K
(а) b
(б)
ОСР по сырой биомассе, мг/(мг • сут) 0.10
□ 1 ■ 2 ■ 3
50
100
(в)
200
300
Сухая биомасса, мг
K 50 100 200
Уровень засоления, мМ
K 50 100 200 300 (г)
ОСР по сухой биомассе, мг/(мг • сут) 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0
300 K 50 100 200 300
Уровень засоления, мМ
Рис. 1. Длина проростков (а), ОСР по сырой биомассе (б), сухая биомасса (в) и ОСР по сухой биомассе (г) по градиенту засоления.
1 — слабое засоление, 2 — умеренное засоление, 3 — сильное засоление. Бары (на рис. а и в) означают стандартные ошибки ± SE (n = 20). Латинские буквы над барами указывают на достоверные различия приp < 0.05 (SigmaPlot 11.0, ANOVA, Tukey's test), их отсутствие или одинаковые буквы — отсутствие различий приp < 0.05. Расчет значений ОСР проводился по средним значениям сырой и сухой биомассы.
6
2
вого реактива по методу Bates (Радюкина и др., 2011), хлорофилла — спектрофотометрически после извлечения 96%-ным спиртом (Vrnon, 1960). Результаты приведены из расчета на 1 г сухой массы. Использовали не менее трех биологических по-вторностей. На графиках приведены средние арифметические значения полученных величин и их стандартные ошибки (±SE). Для корреляционного и факторного (ANOVA) анализов использовали программу SigmaPlot 11.0.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Рост является интегральной физиологической характеристикой, поэтому в ходе исследований влияния уровня засоления (в модельных экспериментах) на разные генотипы саксаула рассматривали следующие морфологические параметры: длину, накопление и относительную скорость роста сырой и сухой
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.