Введение к работе
Актуальность работы. Картофель – важнейшая сельскохозяйственная культура, которая подвержена воздействию различных стрессовых факторов, таких как засуха, высокие температуры и засоление. При этом засоление оказывает наиболее повреждающее действие. Вредное действие засоления имеет комплексный характер и обусловлено как нарушением осмотического баланса клетки, что негативно сказывается на водном режиме растений, так и прямым токсическим влиянием ионов (Na+, SO4-2, Cl-, CO3-2) на физиологические и биохимические процессы в клетке, таким как увеличение концентрации вредных метаболитов, следствием чего является дезорганизация мембран, подавление синтеза белков, нуклеиновых кислот, накопление токсогенных ионов и, инициация окислительного стресса (Строганов, 1973; Zhu, 2001; Кузнецов, Дмитриева, 2006).
Для изучения токсического влияния соли и клеточных механизмов толерантности было предложено использовать клеточные культуры (Балконин и др., 1989; Кулаева и др., 1997). При изучении механизмов устойчивости у выделенных in vitro солеустойчивых клеточных линий было показано, что у ряда клонов не нарушена способность к проникновению ионов соли и, вместе с тем, поддерживается осмотический градиент, необходимый для функционирования клетки. Эти линии аккумулировали значительно более высокие концентрации ионов, чем чувствительные линии и, более того, для нормального роста нуждались в повышенном содержании соли в среде. Механизмы выносливости, благодаря которым растения адаптируются к условиям засоления, могут быть разными и до конца не изучены. Получение растений с целью придания им устойчивости к стрессорным факторам основано на манипулировании экспрессии и активности основных ферментов антиоксидантной системы растений, которые напрямую связаны с защитой клетки от супероксид-радикалов (Мерзляк, 2005).
В связи с этим в последние годы были предприняты попытки, направленные на повышение солеустойчивости важнейших сельскохозяйственных культур с использованием подходов культуры клеток и традиционной селекции (Лян и др., 2009).
Несмотря на актуальность проблемы, к началу наших исследований отсутствовали их сведения об использовании гибридов картофеля на солеустойчивость в условиях in vitro. Это побудило нас обратиться к методам in vitro, как реальному подходу отбора генотипов картофеля на солеустойчивость, так как картофель по признаку устойчивости к засолению почвы варьирует в широких диапазонах в зависимости от сорта (Bilski et al., 1988; Sabbah, Tal., 1990; Бургутин и др. 1996).
В настоящей работе представлены экспериментальные данные, свидетельствующие о возможности отбора на устойчивость к засолению разнообразных гибридов картофеля in vitro и некоторые физиолого-биохимические показатели разнотолерантных генотипов, что актуально и является перспективным в решении научно-практических задач.
Цель работы. Отбор солеустойчивых гибридов картофеля в условиях in vitro и изучение некоторых физиолого-биохимических показателей устойчивых и неустойчивых к солевому стрессу генотипов и их испытание в полевых условиях.
Задачи работы. В соответствии с этим были поставлены следующие задачи:
1. Микроклональное размножение гибридов картофеля в культуре in vitro;
2. Скрининг гибридов на устойчивость к хлористому натрию in vitro;
3. Изучение водообмена, как элемента адаптации к солевому стрессу in vivo;
4. Изучение активности СОД (супероксиддисмутаза) и образование МДА (малоновый диальдегид) при солевом стрессе;
5. Изучение активности каталазы;
6. Изучение некоторых биохимических показателей и продуктивности устойчивых гибридов картофеля.
Научная новизна. Впервые в системе in vitro выявлен клон-гибрид, обладающий устойчивостью к высокой концентрации хлористого натрия. Показано, что при многократном культивировании устойчивые гибриды сохраняли повышенную толерантность к солевому стрессу.
Полученные путем скрининга гибриды картофеля отличались по активности СОД и содержанию МДА, содержанию воды, водоудерживающей способности и продуктивности, что дает возможность использования селективной системы с хлористым натрием для отбора толерантных к солевому стрессу генотипов картофеля.
Показано, что биохимическая устойчивость растений связана, прежде всего, с активацией фермента супероксиддисмутазы, обезвреживающей супероксидрадикал кислорода. Выявлено, что активация супероксиддисмутазы при солевом стрессе и засухе выше в 2-3 раза у устойчивого генотипа, чем у неустойчивого.
Показано, что нарушение водообмена связано с гормональным дисбалансом, возникающим при скрещивании отдаленных генотипов картофеля. Проведение фитогормональной коррекции на уровне целого растения восстанавливает нормальный ход биохимических процессов и, следовательно, усиливает адаптационные возможности растений картофеля при стрессе.
Практическая значимость. Оценка большого набора гибридов картофеля в условиях повышенной концентрации соли (NaCl) в условиях in vitro позволила выделить отдельные генотипы с высокой устойчивостью и продуктивностью. На основе физиологических и биохимических показателей в сочетании с методами биотехнологии удалось выделить новый оригинальный, высокопродуктивный гибрид картофеля, обладающий высокой устойчивостью к условиям солевого стресса. Гибрид №1 передан как новый сорт Файзабад в Государственную комиссию по сортоиспытанию сельскохозяйственных культур и охране сорта при Министерстве сельского хозяйства Республики Таджикистан.
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены (или представлены) на:
международном семинаре «Улучшение продовольствия и безопасности доходов в Юго-Западной и Центральной Азии через сорта картофеля с улучшенной устойчивостью к абиотическим стрессам», Шимла (Индия), 2008;
научной конференции «Достижения современной физиологии растений: теоретические и прикладные аспекты», Душанбе, 2008;
республиканском семинаре «Гузориши сектори тухмпарварии Точикистон ба муносибатхои бозоргони», Душанбе, 2008;
конференции молодых ученых Таджикского национального Университета, Душанбе 2006-2009 гг.;
международном семинаре «Улучшение продовольствия и безопасности доходов в Юго-Западной и Центральной Азии через сорта картофеля с улучшенной устойчивостью к абиотическим стрессам», Ташкент (Узбекистан), 2009
научной конференции, посвященной 80-летию со дня рождения академика АН Республики Таджикистан Ю.С.Насырова «Фотосинтез и проблемы повышения продуктивности растений» (г.Душанбе, 12 октября 2012г).
Публикации. По теме диссертации было опубликовано 14 работ, из них 3 статьи и 11 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация написана на русском языке, на 112 страницах компьютерного текста, состоит из введения, обзора литературы, 5 глав, собственных исследований, выводов, списка литературы, иллюстрирована 18 таблицами и 17 рисунками.
