Координатор: д-р биол. наук Сидорова К. К.
Исполнители: ИЦГ, ИПА, СИФИБР СО РАН
В результате комплексных научных исследований симбиотической азотфиксации на примере гороха (Pisum sativum) выявлены новые важные закономерности формирования и функционирования бобово-ризобиального симбиоза как источника экологически чистого биологического азота; сделан существенный вклад в разработку методических основ селекции бобовых на повышение азотфиксации.
Методом химического мутагенеза создана уникальная коллекция симбиотических мутантов, включающая около 40 линий и более 100 гибридов. Изучены морфобиологические и генетические особенности разных мутантных типов. Выделены формы с гипер- и супернодуляцией, с высокой азотфиксацией и устойчивостью к нитратам, которые представляют интерес для селекции.
Завершены исследования по хромосомной локализации установленных нами генов nod4 и nod6, контролирующих супернодуляцию. Ген nod4 расположен в V группе сцепления, ген nod6 — в VII группе сцепления.
Проведен скрининг около 20 возделываемых сортов гороха по признакам — нодуляция, азотфиксация и устойчивость к нитратам. Выделены контрастные сорта по изученным признакам. На их основе созданы чистые линии, проведен генетический анализ, в результате которого выделен и локализован на хромосомной карте гороха новый ген nod5 (III группа сцепления). Доминантный аллель этого гена контролирует обильную нодуляцию, высокую азотфиксацию, устойчивость к нитратам и высокую продуктивность растений. Впервые экспериментально доказана возможность использования линий, несущих этот ген, в качестве доноров в селекции гороха на повышение азотфиксации (см. таблицу).
Продуктивность и симбиотические показатели у сортов гороха,
маркированных геном nod5
Сорт |
Высота, |
на одно растение |
||||
Число бобов |
Число семян |
Масса семян, г |
Число клубеньков |
Активность нитроге- |
||
Торсдаг |
105,6 ± 1,5 |
10,4 ± 0,3 |
31,7 ± 2,1 |
7,9 ± 0,5 |
258 ± 31 |
3448 ± 266 |
Челябинский 24 |
117,6 ± 1,0 |
9,7 ± 0,4 |
34,0 ± 2,4 |
8,2 ± 0,7 |
235 ± 9 |
4114 ± 282 |
Фаленский 6321 |
105,3 ± 5,1 |
9,3 ± 0,3 |
32,5 ± 1,7 |
7,7 ± 0,4 |
218 ± 9 |
3218 ± 242 |
Дружная |
111,4 ± 1,5 |
7,8 ± 0,3 |
38,9 ± 1,7 |
6,5 ± 0,4 |
142 ± 4 |
3289 ± 227 |
Новосибирская 1 |
123,2 ± 2,3 |
7,8 ± 0,4 |
42,2 ± 2,4 |
8,1 ± 0,4 |
134 ± 15 |
2705 ± 225 |
Результаты электронно-микроскопического и морфометрического анализов бактероидсодержащей ткани корневых клубеньков позволили сделать вывод, что у форм, устойчивых к нитратам, формирование бактероидсодержащей ткани происходит без видимых изменений при выращивании растений как с нитратами, так и без них. У форм, чувствительных к нитратам, наблюдаются явные нарушения в развитии симбиосом. У мутантов с неэффективными клубеньками структура бактероидной ткани клубеньков имеет серьезные нарушения при разных условиях выращивания растений.
Впервые изучены особенности баланса фитогормонов (ауксин, гиббереллин, цитокинин) у разных типов симбиотических мутантов, в разных органах (стебель, корень) и в разные стадии развития растения. Установлено, что фитогормоны играют важную роль в интеграции физиологических процессов растения-хозяина и клубеньковых бактерий; инокуляция бобовых клубеньковыми бактериями меняет их гормональный статус. Баланс фитогормонов в значительной степени зависит от генетических особенностей макросимбионта. Установлена роль пероксидазы в процессе образования клубеньков.
Выявлены различия по активности пероксидазы и проникновения Rhizobium в корни растений у сортов и мутантов, различающихся по нодуляции, а также в зависимости от инфицирования Rhizobium и расстояния от кончика корня (рис. 1).
Рис. 1. Динамика проникновения (22 ч, 22 °С) Rhizobium leguminosarum в корни растений исходного сорта Рондо (1) и мутантов: бесклубенькового K14а (2) и суперклубенькового nod3 (3). Fig. 1. Dynamics of penetration (22 h, 22 °С) of Rhizobium leguminosarum in plant roots of cv. Rondo (1) and mutants: nonnodulating K14a (2) and supernodulating nod3 (3). |
Сделано предположение, что пероксидаза корней участвует в избирательном пропускании азотфиксирующих бактерий в определенных восприимчивых участках корня.
Разработан новый способ оценки эффективности бобово-ризобиального симбиоза, который предусматривает использование генетической модели, включающей сравнение по показателям общего и фиксированного азота у сортов с нормальными нодуляцией и азотфиксацией и мутантов с неэффективными клубеньками или бесклубеньковых (рис. 2).
Рис. 2. Роль генотипа макросимбионта в фиксации атмосферного азота. Исходный сорт - Рамонский 77, суперклубеньковый мутант K301, мутант с неэффективными клубеньками K278/1. Опыт проведен в полевых условиях (серая лесная почва). Fig. 2. Role of macrosymbiont genotype in atmospheric ni-trogen fixation. Cv.Ramonsky 77, supernodulating mutant K301, mutant with ineffective nodules K278/1. The experiment was carried in the field (grey forest soil). |
Список основных публикаций
В оглавление | Далее |