Особенности состава зрелого зерна как маркёр морозоустойчивости

Важным шагом в упрощении лабораторных методов оценки морозоустойчивости на основе особенностей реакции белоксинтезирующей системы представляется переход к аналогичным исследованиям не вегетирующих растений, а зрелого зерна.

Было установлено, что в высокополимерной РНК из проростков злаков содержание основного структурообразующего катиона магния (Mg⁺⁺) существенно варьирует в зависимости от генотипа (сорта) и условий окружающей среды. Исследования показали, что содержание катионов магния в РНК довольно хорошо коррелирует с общим содержанием этого катиона в золе проростков и, что наиболее важно, в золе зрелого зерна. Была показана тесная корреляция между морозоустойчивостью сортов озимой мягкой пшеницы и её морозоустойчивостью, которая была определена предварительно прямыми методами. Чем выше было содержание катионов магния в зерне, тем ниже морозоустойчивость [13−16, 28, 29, 30, 32].

Эта закономерность прослеживается и в морозоустойчивости видов: сравнительно слабоморозоустойчивый ячмень содержит 180, более высокоморозоустойчивая пшеница — 157, а высокоморозоустойчивая рожь — 92 мг магния на 100 г. сухого вещества зрелого зерна [17].

Среднеморозоустойчивые сорта озимой мягкой пшеницы также достоверно отличаются от высокоморозоустойчивых сортов содержанием РНК и ДНК в зрелом зерне. Слабоморозоустойчивые сорта как и высокоморозостойкие имели высокое содержание нуклеиновых кислот в зрелом зерне, но отличались от последних не только уровнем содержания катионов магния, но и электрофоретическим спектром рибосомной РНК зрелого зерна.

При этом была обнаружена сортоспецифическая вариабельность в содержании РНК, ДНК и катионов магния, коррелирующая с морозостойкостью изученных сортов озимой мягкой пшеницы (коэффициенты корреляции для содержания РНК — +0,88, для ДНК — +0,80, для магния — -0,51) [14, 15].

Зародыш зрелого зерна среднеморозоустойчевого сорта Безостая 1 как РНК, так и ДНК накапливает меньше, чем высокоморозоустойчевого сорта Мироновская 808, а абсолютное содержание нуклеиновых кислот у яровых сортов пшеницы выше, чем у озимых [19]. Высокоморозоустойчивая рожь содержит в зрелом зерне намного больше РНК, чем зерно озимой мягкой пшеницы (5,40 мкг/г против 3,09, т. е. содержание РНК в зерне ржи на 70% выше). Тритикале различного происхождения имели промежуточное содержание РНК в зерне — ниже, чем во ржи, но выше, чем в пшенице [15].

На основании полученных данных представляется вероятным предположение, что в зерне озимой пшеницы содержание магния в РНК и в золе, содержание нуклеиновых кислот (РНК и ДНК) и электрофоретические характеристики рРНК определяют («преформируют») особенности закалки и всего последующего онтогенеза растения, а, следовательно, и степень его морозоустойчивости при том условии, что зерно сравнивыемых сортов — одного года репродукции и получено с одного поля (одинаковый агрофон) [1,2].

Обнадёживающие результаты получены и на рисе: холодостойкость его сортов положительно коррелирует с содержанием РНК в зародыше зрелого зерна [7].

Вместе с тем, в процессе подобных фундаментальных исследований нередко выявляются совершенно неожиданные факты, дальнейшее изучение которых позволяет надеяться на разработку еще более простых, эффективных и дешевых методов прогнозирования, чем те, на которые изначально были ориентированы исследователи.

В ходе экспериментов было замечено, что в равных условиях (соотношение навески и объема экстрагирующего буфера) экстракция шрота зрелого зерна озимой пшеницы и озимого ячменя происходила по-разному. Объем экстракта из ячменя был на 3040% меньше, чем из пшеницы, т. е. шрот зрелого зерна озимого ячменя отличался большей гигроскопичностью. Но самое важное заключалось в том, что наблюдались сортовые различия между относительно высоко и слабо морозоустойчивыми сортами ячменя. Более морозоустойчивые сорта озимого ячменя отличались большей гигроскопичностью шрота, и эти различия достигали величины более 20%.

У сортов озимой мягкой пшеницы подобной выраженной закономерности не наблюдалось, что, вероятно, объясняется разными молекулярными механизмами формирования морозоустойчивости растений пшеницы и ячменя [2].

Экспериментально была установлена взаимосвязь между морозоустойчивостью сортов озимого ячменя и водоудерживающей способностью (гигроскопичностью) зрелого зерна. На примере десятков сортов показано, что чем выше морозоустойчивость сорта, тем меньший объём надосадочной жидкости может быть получен при экстракции шрота ячменя раствором, содержащим катионы магния. Результаты сравнительных исследований морозоустойчивости по степени выживания растений при промораживании в холодильных камерах и по степени гигроскопичности зрелого зерна показали, что эти два метода оценки морозоустойчивости дают весьма близкие данные. Вместе с тем, по простоте и низким экономическим затратам предлагаемый метод оценки морозоустойчивости во много раз превосходит метод прямого промораживания растений [3].

Однако, разрешающая способность нового метода существенно не превышает таковую метода прямого промораживания (НСР=0,05 для различий по морозостойкости в 8−10%), а для эффективной селекции, по мнению академика РАСХН В. М. Шевцова, желательны различия в 2 раза большие. Дальнейшие исследования показали возможность увеличить разрешающую способность этого лабораторного метода за счет дополнительного анализа содержания в зрелом зерне ячменя экстрактивного магния, которым особенно богаты среднеморозоустойчивые сорта [17, 18].

Фактор времени имеет нередко решающее значение в жизни растения, продлевая работу одних генетических систем и задерживая смену их другими и, наоборот, ускоряя этот процесс. Изменение скорости роста и развития определяет такие свойства, как стрессоустойчивость и фотопериодизм. Например, на практике имеют превосходство по морозоустойчивости те сорта озимой мягкой пшеницы, закалка которых (при 4^оС) происходит сравнительно быстро [2, 34], т. е. можно предполагать, что степень морозоустойчивости злаков прямо пропорциональна скорости закалки проростков. Поэтому фактор времени имеет большое значение при разработке соответствующих маркёров. Скорость изменения компонентов белоксинтезирующей системы проростков пшеницы и ячменя озимых сортов дифференциальна (сортоспецифична) и реагирует на закаливающие температуры как на уровне трансляции полирибосом, так и на уровне стабильности суммарной мРНК или ген-специфической мРНК.

Каждый из этих уровней определяет экономичность, точность и производительность разрабатываемых на их основе маркёров морозоустойчивости. В этом отношении принципиально важно оказалось перейти к исследованию не вегетирующих растений или проростков, а к исследованию зрелого зерна.

Исследования озимой мягкой пшеницы привели к выводу о целесообразности дальнейшего изучения долгоживущей РНК зрелого зерна. На основании полученных данных предполагается, что в зерне озимой мягкой пшеницы содержание магния в РНК и в золе, содержание нуклеиновых кислот (РНК и ДНК) и электрофоретические характеристики рРНК определяют («преформируют») особенности закалки и всего последующего онтогенеза растения, а, следовательно, и степень его морозоустойчивости.

Молекулярно-биологические механизмы формирования морозоустойчивости озимого ячменя оказались более сложными, чем таковые озимой пшеницы. Однако, в ходе молекулярно-биологических работ эмпирически был найден простой маркёр морозоустойчивости озимого ячменя: гигроскопичность зрелого зерна прямо пропорциональна его морозоустойчивости, что, возможно, связано с разным содержанием в зерне «растворимого крахмала» — бета-глюканов [35, 36].

Описанные в настоящей статье теоретические предпосылки и методические решения определяют принципиально новые возможности в разработке лабораторных методов оценки биологических особенностей зерновых культур в ходе селекционного процесса, что в перспективе привело бы к существенному развитию теории селекции и предоставило маркёры для отбора по ряду биологических признаков, отличающихся от традиционных подходов меньшей трудоёмкостью и большей экономичностью, что позволило бы в конечном итоге ускорить начальные этапы селекции и сократить сроки выведения новых форм злаков.