Чем засеять Север

Российские ученые с помощью химических веществ — мутагенов — ищут возможность адаптировать сельскохозяйственные культуры под суровые климатические условия российского Севера. Результаты их работы станут основой для селекции сортов пшеницы и ячменя.

Первые сильные химические мутагены (формальдегид и другие вещества) были найдены Иосифом Рапопортом в Институте экспериментальной биологии. Статья, посвященная мутагенному действию карбонильных соединений на модельный объект — дрозофилу, была опубликована в журнале «Доклады Академии наук СССР» в 1946 году. В том же 1946 году появилась работа английских ученых Шарлотты Ауэрбах и Джона Майкла Робсона (Рабиновича) в журнале Natur, в которой описывалось сильное мутагенное действие иприта (отравляющего вещества) на дрозофилу и грибы.

В настоящее время многие химические мутагены изучены и широко используются во всем мире с целью создания форм растений с новыми полезными признаками. Высокие результаты достигнуты с помощью хорошо известных химических мутагенов (диметилсульфат, нитрозометилмочевина, нитрозоэтилмочевина, этиленимин и др.). По сведениям FAO/IAEA Mutant Variety Database (2020), общее число официально зарегистрированных сельскохозяйственных сортов, созданных при помощи различных мутагенов, составляет 3333, включающих 228 видов растений из 73 стран мира. В то же время очевидно, что значимость исследований по данному направлению может быть существенно увеличена при индуцировании мутаций с помощью новых или недостаточно изученных мутагенных факторов.

При сотрудничестве Института биологии Тюменского государственного университета и Института биохимической физики им. Н. М. Эмануэля Российской академии наук была сформулирована задача увеличения генетического разнообразия культурных растений с помощью химического мутагена фосфемида (ди-(этиленимид)-пиримидил-2-амидофосфорной кислоты; lat. Phosphemidum, относится к химической группе фосфазинов). Для северных регионов, характеризующихся сложными (нередко экстремальными) почвенно-климатическими условиями и ограниченными ресурсами культивируемых видов растений, решение данной задачи особенно важно.

Фосфемид на первом этапе работы был нами испытан на известном цитогенетическом объекте Crepis capillaris, имеющем три пары четко различимых хромосом. После обработки раствором фосфемида сухих семян и их дальнейшего проращивания анализировали типы и количество перестроек хромосом. Важно было знать, сколько времени длится мутационный процесс в семенах. Установлено, что при однократном применении мутагена на семена Crepis capillaris перестройки хромосом и частота проростков с митозами сохраняются в течение трех месяцев. Прослеживалось значительное увеличение числа проростков с митозами в течение 30–32 часов с начала опыта, после чего отчетливой временной зависимости не наблюдалось. Из этого сделали вывод, что при хранении обработанных семян фосфемид не разлагается и практически не теряет интенсивности воздействия.

В дальнейшем впервые на культурных злаках (пшеница и ячмень) в лаборатории биотехнологических и микробиологических исследований Института биологии ТюмГУ была проведена серия опытов по подбору концентрации мутагена и экспозиции для обработки семян с учетом их физиологического статуса и ответной реакции генотипа на мутагенную обработку. Для наших экспериментов фосфемид был синтезирован в лаборатории физических и химических методов анализа на химическом факультете Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова (МГУ) профессором Е. В. Бабаевым.

Разработана комплексная технология диагностики эффекта мутагена в лабораторных условиях с дальнейшей интерпретацией лучших вариантов в полевых условиях на опытном полигоне изучения генетических ресурсов культурных растений.

Доказано, что, обеспечивая получение новых форм растений, мутаген не оказывал отрицательного влияния на структурно-функциональное состояние растений и биохимический состав зерна. К числу информативных критериев отнесены полевая всхожесть семян и биологическая устойчивость растений, изменчивость морфометрических параметров растений в онтогенезе. Апробирована экспресс-диагностика содержания хлорофилла в клетках листьев растений на разных этапах онтогенеза. На основе показаний оптического счетчика хлорофилла SPAD 502 (Minolta Camera Co, Ltd, Токио, Япония) установлены существенные различия по накоплению и деградации хлорофилла в контроле и вариантах с фосфемидом.

Известно, что крахмал является составной частью зерна злаковых культур, его содержание и свойства существенно влияют на переработку и качество продукции. Одним из методов, обеспечивающих увеличение варьирования содержания крахмала и амилозы в крахмале, является химический мутагенез. Химические мутагены обеспечивают возможность получения новых аллельных вариаций, гены которых участвуют в биосинтезе крахмала. В нашем исследовании ставилась задача проследить за изменениями содержания крахмала в зерне ячменя под влиянием химического мутагена фосфемида в разных концентрациях.

В партнерстве с учеными Всероссийского научно-исследовательского института крахмалопродуктов — филиала ФНЦ пищевых систем им. В. М. Горбатова установлено, что мутантные популяции ячменя, полученные при обработке семян водным раствором препарата фосфемид, можно рассматривать как хорошую платформу для отбора генотипов с повышенным содержанием амилозы и рекомендовать их практической селекции. Стабилизация показателей выхода крахмала в вариантах с фосфемидом относительно контроля отмечена в исследуемых образцах зерна третьего поколения М3. У семян мутантных популяций М3 обнаружено статистически достоверное увеличение полевой всхожести по сравнению с контролем, что позволяет предположить возможность ремобилизации синтеза крахмала под воздействием стресс-фактора. Отбор форм с повышенным содержанием амилозы в крахмале, имеющих потенциальную ценность для перерабатывающей промышленности, целесообразно проводить, начиная с М3.

Мутационные изменения, возникающие под действием фосфемида у пшеницы и ячменя, разнообразны по характеру проявления. Выделены различные типы видимых мутаций, которые затрагивали стебель, листья, колос, физиологические показатели роста и развития, встречались системные мутации. Спектр изменений, отклоняющихся от контроля, был достаточно широким: раннеспелые и позднеспелые формы, крупноколосые, с широким флаговым листом, с изменением разновидности, окраски колоса и остей, выделены растения, у которых отмечено изменение в строении колоса. Также отмечены высокорослые и низкорослые, устойчивые к полеганию растения, с восковым налетом на соломине.

Продолжая разработку способов повышения эффективности фосфемида, мы ставим новую фундаментальную задачу. Она связана со снижением повреждающего эффекта высоких концентраций мутагена в популяциях первого поколения (М1) с помощью антиоксидантного действия пара-аминобензойной кислоты (ПАБК). Такой подход представляет научный интерес, так как позволит получить более широкий спектр полезных мутаций. Репарирующие свойства ПАБК были подтверждены в более ранних наших исследованиях с использованием таких химических мутагенов, как диметилсульфат, нитрозоэтилмочевина, этиленимин, на многолетних злаковых и бобовых травах. Учитывая, что мутагены в больших концентрациях выполняют роль очень жесткого фактора, вызывая не только депрессию, но и гибель растений, ПАБК выступает в данном случае в качестве антистрессового фактора, что связано с присущими данному соединению свойствами способствовать активации генома и метаболизма растений. Кроме того, в наших опытах (на примере амаранта и эспарцета) показано, что опрыскивание перекрестноопыляющихся растений перед цветением ПАБК в определенных концентрациях снижает их реакцию на искусственную изоляцию, применяемую в селекции, способствует снижению морфологической депрессии и увеличению семенной продуктивности. Включение в стандартные питательные среды для проращивания пыльцы клевера лугового ПАБК в качестве дополнительного компонента создает благоприятные условия для расширения генетической изменчивости путем сохранения большего количества рекомбинантных пыльцевых зерен с низкой жизнеспособностью. Установленные репарагенные свойства пара-аминобензойной кислоты рассматриваем как реальную возможность усовершенствования методики мутационной селекции.

Исследование лучших мутантных форм ячменя в настоящее время осуществляется учеными Института биологии Тюменского государственного университета и Федерального научного селекционно-технологического центра садоводства и питомниководства (г. Москва). На опытном полигоне для изучения генетического разнообразия культурных растений (Тюменская область, Нижнетавдинский район) в экстремальных погодных условиях 2021 года ряд мутантов ячменя и яровой пшеницы характеризовались высокой биологической устойчивостью к почвенной и атмосферной засухе.

Наши исследования показывают эффективность фосфемида для индукции полезных мутаций, адаптированных к сложным почвенно-климатическим условиям северных регионов России. Новый генетический ресурс используется для пополнения коллекционного фонда и улучшения селекционно-ценных признаков культурных растений.