Введение к работе
Актуальность исследования. У растений питание, развитие, адаптация к стрессам, защита от патогенов и вредителей обеспечивается за счет взаимовыгодных (мутуалистических) симбиотических взаимодействий с широким спектром микроорганизмов. По своим функциям растительно-микробные мутуалистические симбиозы могут быть разделены на трофические и защитные. Бобовые растения (сем. Fabaceae) уникальны тем, что в процессе эволюции приобрели способность формировать два типа мутуалистических эндосимбиозов: арбускулярную микоризу (AM) с грибами отдела Glomeromycota, а также азотфиксирующий симбиоз (АФС) с ризобиями, которые обеспечивают фосфорное и азотное питание растений в обмен на фотосинтаты (Borisov et al., 2007; Shtark et al., 2010). Многочисленные признаки, определяющие сходство между этими типами симбиозов, указывают на общие механизмы взаимодействия между макро- и микросимбионтом, по крайней мере, на некоторых стадиях развития (Borisov, 2007; Parniske, 2008; Проворов, 2009). Также широко известны антистрессовые и защитные эффекты взаимодействий с PGPB, к которым относятся ризосферные/эндофитные бактерии (например, Azospirillum, Arthrobacter, Pseudomonas, Bacillus и др.). Было показано, что существуют общие растительные гены, контролирующие взаимодействие с эндосимбионтами и данной группой бактерий (Sanchez et al., 2005; Shtark, 2010). Это заставляет рассматривать генетическую систему бобовых растений, контролирующую взаимодействие с полезной почвенной микрофлорой (ППМ), как единую для развития комплексного симбиоза -бобовое растение + грибы AM + ризобии + PGPB, и решающую роль в установлении симбиоза отвести растению-хозяину, обладающему наиболее стабильным геномом, предоставляющему экологические ниши и источник углерода. В сельскохозяйственной практике никогда не использовался комплексный симбиоз между бобовыми растениями, грибами AM, ризобиями и PGPB, хотя проводимые в этом направлении исследования (Якоби, 2000; Вагеа et al., 2005) показывают возможность эксплуатации мутуалистических взаимодействий в адаптивном сельском хозяйстве.
Горох (Pisum sativum L.) является одной из наиболее важных культур в мире, которую выращивают в различных почвенно-климатических зонах на больших площадях (Чекалин, 2003). Как представитель сем. Fabaceae он обладает способностью к образованию всех перечисленных симбиозов, однако в процессе интенсификации сельского хозяйства у культурных растений была понижена эффективность данных взаимодействий (Тихонович, Проворов, 2009). В рамках современной концепции развития адаптивного, экологически ориентированного сельскохозяйственного производства использование микробиологических препаратов комплексного действия (с трофической и защитной функцией), может быть альтернативой применению высоких доз минеральных удобрений и химических средств защиты. Для этого необходимо создание сортов нового типа, высоко эффективных во взаимодействии с ППМ (Борисов и др., 2004; Shtark et al., 2010). Селекция генотипов с подобными свойствами позволит максимально использовать сложившийся в ходе эволюции потенциал продуктивности растений, повысить качество урожая, снизить загрязнение окружающей среды и затраты на производство за счет снижения доз агрохимикатов.
Цель и задачи исследования. Целью работы являлось изучение взаимодействия гороха посевного (Pisum sativum L.) с комплексом ППМ (грибы AM, ризобии, PGPB) для конструирования высокоэффективных взаимовыгодных растительно-микробных систем с целью повышения продуктивности растений в экологически ориентированном адаптивном растениеводстве. Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
1. Изучение внутривидового полиморфизма гороха по эффективности
взаимодействия с ППМ.
Сравнительный анализ развития эндосимбиотических систем и параметров урожая. Выбор параметров оценки эффективности взаимодействия растений с комплексом ППМ.
Разработка методологии анализа исходного материала для селекции гороха на повышение эффективности взаимодействия с ППМ.
4. Разработка принципов селекции гороха с учетом нового
сельскохозяйственно значимого признака - "эффективность взаимодействия с
ППМ".
Научная новизна работы. Впервые на основе экспериментальных данных о сложившихся в ходе эволюции общих элементах генетической системы бобового растения, регулирующей симбиотические взаимоотношения с различными компонентами ППМ разработана и апробирована система «многокомпонентного» мутуалистического симбиоза для применения в адаптивном растениеводстве. Впервые показан полиморфизм гороха при взаимодействии с ППМ, основными группами которой являются: грибы AM, ризобии и PGPB.
Практическая значимость работы. Разработаны приемы повышения эффективности симбиотических систем гороха за счет применения комплексного микробного удобрения (КМУ), содержащего основные группы
ППМ. Данные приемы способствуют повышению продуктивности растений и качества урожая. В результате комплексных исследований признака «эффективность взаимодействия с ППМ» 26 генотипов гороха отобраны наиболее эффективные для использования в селекции. Показано, что основными параметрами оценки эффективности растений при взаимодействии с ППМ являются биомасса растения, масса семян и содержание белка в семенах. Разработана методология анализа исходного материала для селекции гороха на повышение эффективности взаимодействия с ППМ и принципы селекции гороха с учетом нового сельскохозяйственно значимого признака "эффективность взаимодействия с ППМ".
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
Инокуляция растений комплексом ППМ в среднем за три года по 26 генотипам эквивалентна применению МбоРбоКбо-
Уровень генетического полиморфизма гороха посевного (Pisum sativum L.) по признаку «эффективность взаимодействия с ППМ» позволяет вести селекцию и создавать сорта с высоким показателем данного признака.
Апробация работы. Материалы диссертации представлены на всероссийской конференции "Сельскохозяйственная микробиология в XIX-XXI веках" (Санкт-Петербург, 2001); на 1-ой региональной конференции молодых ученых "Стратегия взаимодействия микроорганизмов с окружающей средой" (Саратов, 2002); на 1-ом съезде микологов России (Москва, 2002); на 11-м международном конгрессе "Молекулярные растительно-микробные взаимодействия" (Санкт-Петербург, 2003); на 6-м международном симпозиуме "Строение и функции корней" (Словакия, Стара Лесна, 2003); на 3-м съезде Вавиловского общества генетиков и селекционеров "Генетика в 21 веке: современное состояние и перспективы развития" (Москва, 2004); на 5-й Европейской конференции "Зерновые бобовые культуры" и 2-й международной конференции "Геномика и генетика бобовых" (Франция, Дижон, 2004); на 9-й Международной Пущинской школе-конференции молодых ученых "Биология-наука XXI века" (Пущино, 2005); на 14-й Международной конференции "СПИД, рак и общественное здоровье" (Санкт-Петербург, 2005); на конференции "Использование грибов арбускулярной микоризы для повышения плодородия почв и здоровья растений в сельском хозяйстве" (Франция, Дижон, 2005); на 15-м международном конгрессе "Фиксация азота" и 12-й международной конференции "Африканская ассоциация по биологической фиксации азота" (2008); на 16-й летней школе по биотехнологии университета Гданьска "Адаптация к климатическим изменениям в регионе Балтийского моря: вклад биотехнологии растений и микроорганизмов" (Польша, Гданьск, 2010); на Всероссийской научной конференции "Ориентированные фундаментальные исследования и их реализация в АПК России" (Сергиев Посад, 2009; Москва, 2010)
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 23 работы: 7 статей (3 из списка ВАК), 15 тезисов конференций, получен 1 патент.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания материалов и методов исследования, экспериментальной
