ВЛИЯНИЕ ГЕТЕРОАУКСИНА И ЯНТАРНОЙ КИСЛОТЫ НА ВСХОЖЕСТЬ СЕМЯН ПШЕНИЦЫ ПОСЛЕ ИХ ДЛИТЕЛЬНОГО ХРАНЕНИЯ | Опубликовать статью РИНЦ

ВЛИЯНИЕ ГЕТЕРОАУКСИНА И ЯНТАРНОЙ КИСЛОТЫ НА ВСХОЖЕСТЬ СЕМЯН ПШЕНИЦЫ ПОСЛЕ ИХ ДЛИТЕЛЬНОГО ХРАНЕНИЯ

Научная статья

Сафина Г.Ф.¹, Филипенко Г.И.^2, *

¹ ORCID: 0000-0002-8566-0192;

² ORCID: 0000-0001-8419-1518;

^{1, 2} Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова (ВИР), Санкт-Петербург, Россия

* Корреспондирующий автор (galina-filipenko[at]yandex.ru)

Аннотация

В генетических банках растений существует проблема восстановления всхожести уникальных образцов, жизнеспособность которых снизилась в процессе длительного хранения настолько, что они не могут быть высеяны непосредственно в поле. В работе исследовано влияние гетероауксина (ИУК) и янтарной кислоты на прорастание семян пяти образцов пшеницы из коллекции ВИР, всхожесть которых после 49-50-летнего хранения снизилась до 3,8-47,1%. На двух образцах мягкой озимой пшеницы было показано, что ИУК стимулирует прорастание семян. Особенно эффективной оказалась концентрация 2,5×10^-7 М, повышавшая всхожесть семян пшеницы на 7,1-8,5%. На этих же образцах было обнаружено, что янтарная кислота в концентрации 5×10^-4-10^-3 М также повышает всхожесть семян на 2,3-5,0%. Обработка ИУК или янтарной кислотой в разных концентрациях двух других образцов мягкой озимой пшеницы и образца твердой пшеницы или не давала эффекта, или давала отрицательный, а иногда лишь небольшой положительный эффект. Неоднозначность полученной картины не позволяет рекомендовать гетероауксин и янтарную кислоту для восстановления всхожести образцов семян после длительного хранения.

Ключевые слова: генетические ресурсы растений, коллекции семян, низкотемпературное хранение, регуляторы роста растений.

EFFECT OF HETEROAUXIN AND AMBER ACID ON GERMINATING ABILITY OF WHEAT SEEDS AFTER THEIR DURABLE STORAGE

Research article

Safina G.F.¹, Filipenko G.I.^2, *

¹ ORCID: 0000-0002-8566-0192;

² ORCID: 0000-0001-8419-1518;

^1,2 Federal Research Center – N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources, St. Petersburg, Russia

* Corresponding author (galina-filipenko[at]yandex.ru)

Abstract

There exists the problem of restoring the germination of unique samples, the viability of which has decreased during durable storage in the genetic banks of plants so that they cannot be sown directly in the field. In this work, the effect of heteroauxin (IAA) and amber acid on seed germination of five wheat samples from the VIR collection are investigated, the germination rate of them after 49–50-year storage has decreased to 3.8–47.1%. It is shown that IAA stimulates seed germination on two samples of soft winter wheat. The concentration of 2.5×10^-7 M is particularly effective; it increases the germination of wheat seeds by 7.1-8.5%. It is also found that amber acid at a concentration of 5×10^–4–10^–3 M increases seed germination by 2.3–5.0% on the same samples. IAA or amber acid treatment in different concentrations of the other two samples of soft winter wheat and a sample of durum wheat either do not give an effect or give a negative and sometimes only a small positive effect. The ambiguity of the obtained result does not allow recommending heteroauxin and amber acid to restore the germination of seed samples after prolonged storage.

Keywords: plant genetic resources, seed collections, low-temperature storage, plant growth regulators.

Основная задача генных банков – сохранение генетического разнообразия растений, обеспечивающее высокий уровень жизнеспособности хранящегося материала. Современные стандарты для генбанков ФАО предусматривают закладку на хранение образцов семян исходная всхожесть которых должна быть не менее 85 % для большинства видов сельскохозяйственных культур [1, C. 30], и пересев, когда жизнеспособность падает ниже 85 % от первоначальной жизнеспособности [1, C. 36].

Но у многих дикорастущих и лесных видов всхожесть обычно не достигает столь высоких значений. К тому же при хранении происходит старение семян, показатели их жизнеспособности неизбежно снижаются. Даже в воздушно-сухих семенах могут происходить неферментативные реакции, такие как реакции Амадори и Майяра, которые способствуют старению семян посредством повреждения белков, нарушая работу метаболических систем и уменьшая их способность восстанавливать повреждения, связанные с функционированием генетического аппарата во время прорастания [2, C. 1223-1225].

В связи с трудностью воспроизведения отдельных ценных образцов, а также в связи с проблемами старения семян при длительном хранении в генбанках должна существовать система восстановления образцов. В крайних случаях возможно использование методов биотехнологии. Однако, поскольку в ряде исследований показана эффективность применения биологически активных веществ различной химической природы для повышения всхожести семян в полевых условиях. [3, C. 326], целесообразно выяснить возможность повышения всхожести коллекционных образцов путем обработок подобными веществами, в частности, регуляторами роста растений.

Целью настоящей работы было исследовать влияние гетероауксина (ИУК) и янтарной кислоты на всхожесть семян пшеницы после длительного хранения в генбанке.

ИУК является одним из основных гормонов высших растений и вызывает самые разнообразные физиологические эффекты. Гетероауксин присутствует практически во всех тканях растительного организма. В наибольших количествах этот фитогормон содержится в молодых почках и листьях, цветках, камбии, проводящей системе, семенах. На ювенильных этапах развития основным источником ИУК являются эндосперм и семядоли, которые обеспечивают гормонами формирующуюся корневую систему и надземную часть растений [4, C. 274]. Ауксинам подходит роль критического фактора прорастания, так как они действуют на растяжение клеток и их структурные компоненты [3, C. 40]. Однако вопрос о роли ауксинов в выходе из покоя и прорастании в настоящее время нельзя считать решенным, поскольку, с одной стороны, современная схема регуляции выхода из покоя и начала прорастания не включает ауксины в комплекс гормонов, регулирующих прорастание семян [3, C. 37]. С другой стороны, известно, что содержание ауксинов в семенах меняется у некоторых видов при переходе к прорастанию [5, С. 87-88], и ряд авторов все-таки рассматривают их в числе фитогормонов, участвующих в этом процессе [6, C. 252]. В связи с этим изучение воздействия ИУК на семена, всхожесть которых снизилась в процессе естественного старения, представляет особый интерес.

Одним из перспективных и относительно дешевых регуляторов роста для предпосевной обработки семян и вегетирующих растений является янтарная кислота и ее соли. В комплексе с хитозаном и L-глутаминовой кислотой янтарная кислота применяется для предпосевной обработки семян риса, пшеницы, ячменя, подсолнечника, огурцов с целью увеличения зеленой массы, урожайности и повышения устойчивости к заболеваниям [7, C. 60]. ГОСТ 12038-84 предусматривает перед определением всхожести предварительное замачивание находящихся в состоянии покоя семян табака (Nicotiana tabacum L.) в 0,01%-ной янтарной кислоте (т.е. 10^–2 М) на 1 сутки при комнатной температуре [8, С. 56]. В концентрациях 10^–5-10^–4 М янтарная оказывает защитное влияние на растения, подвергнутые действию различных стрессоров [9, C. 118]. Одно из объяснений эффекта – активация дыхания в связи с тем, что сукцинат является метаболитом цикла трикарбоновых кислот. Однако, из-за низкой эффективной концентрации экзогенной янтарной кислоты и длительного ее последействия на растения такое объяснение выглядит не полным. На четырехдневных проростках гороха было показано, что янтарная кислота является природным миметиком салициловой кислоты, приводя в действие те же, что и салициловая кислота, механизмы индукции локальной и системной устойчивости растений к патогенам [10, C. 20].

В представленной работе были использованы гетероауксин – ИУК (индолил-3-уксусная кислота) фирмы Диаэм (номер каталога U87514) и янтарная кислота ACS фирмы Диаэм (номер каталога D110156).

Материалом исследования служили семена четырех сортов мягкой озимой пшеницы (Triticum aestivum L.) и семена одного сорта твердой озимой пшеницы (Triticum durum Desf.) (таблица1).

 

Таблица 1 – Образцы пшеницы из коллекции ВИР, использованные в опытах по восстановлению всхожести семян после хранения

№ каталога ВИР	Название образца	Год репродукции	Место репродукции	Всхожесть, %
				2004 г.	2018 г.
Triticum durum Desf.
32453	Дербентская черноколосая	1969	Дербент	53,1 ± 1,1	47,1 ± 1,7
Triticum aestivum L.
35726	Псевдомеридионале 122	1968	Узбекистан	28,0 ± 2,0	5,0 ± 0,6
36594	Боровичская	1969	Пушкин	46,2 ± 1,2	14,8 ± 1,4
38054	Даньковская гранятка	1969	–	42,4 ± 2,4	3,8 ± 1,1
42790	Безостая 1	1968	Узбекистан	48,0 ± 1,0	33,0 ± 4,8

 

Семена были выращены в 1968-1969 гг. и использованы в многолетних опытах лаборатории семеноведения ВИР, в которых изучали влияние различной упаковки, разной исходной влажности и всхожести, сроков уборки семян, фаз созревания и других факторов на изменение всхожести семян при хранении. В 1981 г. на основании проведенных исследований были написаны методические указания по длительному хранению семян. Оставшиеся после опытов семена до 2000 г. находились в хранилище, в котором поддерживалась температура 5-7°С. В 2000 г. старое хранилище было демонтировано, в ВИР были установлены новые низкотемпературные и холодильные камеры. Четыре года семена хранились в лабораторных условиях, а в 2004 г. были перезаложены в холодильное хранилище с температурой –10°С. Перед закладкой семена были подсушены в сушилке при температуре 20°С и 12%-ной относительной влажности воздуха и герметично упакованы в фольговые трехслойные ламинированные пакеты. Влажность всех образцов семян перед закладкой на хранение в 2004 г. составляла 6,9%.

За 14 лет хранения в морозильном хранилище всхожесть большинства образцов значительно снизилась (таблица 1). Не обладая полной информацией об исходных данных этих образцов, трудно предположить, чем именно вызваны разные темпы старения семян, имевших в 2004 г. примерно одинаковую всхожесть. Но для данного опыта важно, что материалом исследования служили образцы с разным уровнем всхожести: от 3,8 до 47,1%, состарившиеся естественным образом – без резких температурных воздействий или химических обработок.

Всхожесть и влажность семян определяли стандартными методами [8, C. 36-64], [11, C. 109-114].

На одном из исследуемых образцов мягкой озимой пшеницы (к-36594), имеющем всхожесть 14,8%, провели первые прикидочные опыты: проверили влияние времени экспозиции и концентрации препаратов гетероауксина и янтарной кислоты на прорастание семян. Было взято по две концентрации гетероауксина (10^-3 М и 10^-5 М) и янтарной кислоты (10^-2 М и 10^-3 М), и по два варианта времени воздействия. При выборе концентрации основывались на литературных данных [12, C. 94], [13, C. 6].

Из таблицы 2 видно, что концентрация ИУК 10^-3 М подавляет прорастание семян независимо от времени воздействия. Обработка семян пшеницы ИУК в концентрации 10^-5М в течение 17 часов вызывает повышение всхожести на 10,2%. Воздействие ИУК в концентрации 10^-5М в течение всего времени проращивания также несколько повышает всхожесть.

 

Таблица 2 – Влияние концентрации и времени воздействия гетероауксина на всхожесть семян мягкой озимой пшеницы (к-36594) после длительного хранения

Исходная всхожесть, %	Способ и время воздействия ИУК	Всхожесть,%
		Концентрация ИУК, М
		10-3	10-5
14,8 ± 0,5	Замачивание в течение 17 часов	4,0 ± 0	25,0 ± 3,0
	Проращивание в препарате в течение 7суток	4,0 ± ,0	17,0 ± 3,0

 

Аналогичная, но менее выраженная картина наблюдается в случае с янтарной кислотой (Таблица 3). Концентрация янтарной кислоты 10^-2 М снижает всхожесть семян при обоих сроках воздействия, в то время как концентрация 10^-3 М или не влияет на всхожесть – при проращивании в растворе янтарной кислоты, или в небольшой степени стимулирует – при замачивании семян в растворе янтарной кислоты в течение 24 часов. На основании этого в дальнейших опытах остановились на времени воздействия для гетероауксина 17 часов, а для янтарной кислоты 1 сутки.

Таблица 3 – Влияние концентрации и времени воздействия янтарной кислоты на всхожесть семян мягкой озимой пшеницы (к-36594) после длительного хранения

Исходная всхожесть,%	Способ и время воздействия янтарной кислотой	Всхожесть,%
		Концентрация янтарной кислоты, М
		10-2	10-3
14,8±0,5	Замачивание в течение 24 часов	11,0 ± 1,0	19,0 ± 2,9
	Проращивание в препарате в течение 7суток	7,0 ± 5,0	15,0 ± 1,0

 

В дальнейших опытах был использован более широкий спектр значений концентраций регуляторов роста. В таблице 4 представлены данные по влиянию различных концентраций гетероауксина (от 2,5×10^–7 до 10^-5 М) на всхожесть семян после длительного хранения. У образца твердой пшеницы к-32453, имевшего самую высокую исходную всхожесть – 48,0±2,3%, гетероауксин вызывал некоторое снижение жизнеспособности, наиболее заметное для концентраций 10^-6 и 5×10^-7М. У образца мягкой озимой пшеницы к-38054, имевшего самую низкую – 3,8±1,1%, исходную всхожесть семян в изучаемом материале, в опыте не отмечено изменений всхожести. Всхожесть образца к-42790 с исходной всхожестью 32,4±4,8% при использовании ИУК в концентрациях 10^-5, 5×10^-6, 5×10^-7М не имела отличий от исходной всхожести, гетероауксин в концентрации 10^-6 снижал всхожесть, а в концентрации 2,5×10^-7М – повышал. И только у образцов к-35726 и к-36594, имевших исходную всхожесть 5,9±1,1 и 14,5±1,4%, соответственно, во всех вариантах наблюдалась стимуляция всхожести. Наиболее выраженным эффект стимуляции был при самой низкой концентрации гетероауксина – 2,5×10^-7М. В образце к ‑ 35726 всхожесть увеличилась на 7,1%, а в образце к-36594 – на 8,5%.

 

Таблица 4 – Влияние гетероауксина на всхожесть семян пшеницы после длительного хранения

№ каталога ВИР	Всхожесть, %
	Контроль (без обработки)	После обработки ауксином в концентрации (М)
		10-5	5×10-6	10-6	5×10-7	2,5×10-7
к-32453	48,0 ± 2,3	40,0 ± 6,0	42,0 ± 18,0	38,0 ± 2,0	36,0 ± 6,0	45,0 ± 3,0
к-35726	5,9 ± 1,1	12,0 ± 1,1	14,0 ± 1,1	8,3 ± 0,1	8,0 ± 0,9	13,0 ± 1,0
к-36594	14,5 ± 1,4	19,5 ± 2,3	18,0 ± 2,0	18,0 ± 1,1	18,7 ± 4,4	23,0 ± 1,0
к-38054	3,0 ± 1,0	–	2,0 ± 0	–	3,3 ± 0,7	5,0 ± 1,0
к-42790	32,4 ± 4,8	36,0 ± 10,0	25,0 ± 9,0	22,0 ± 4,4	37,0 ± 7,0	39,0 ± 0,9

 

В опытах с янтарной кислотой использовались концентрации от 5×10^-4 до 10^-2 М (Таблица 5). На образцах, имевших более высокую исходную всхожесть (к-32453 и к-42790), а также совсем низкую (к-42790), заметных изменений всхожести под воздействием янтарной кислоты не обнаружено. Всхожесть образца к-35726 с исходной всхожестью 6,0±1,0% после обработки янтарной кислотой в концентрациях от 5×10^-4 до 10^­­-2 М возрастала на 4-6%. У образца к-36594 в опыте наблюдалось увеличение всхожести на 9,3% после воздействия 10^-3М янтарной кислотой.

 

Таблица 5 – Влияние янтарной кислоты всхожесть семян пшеницы после длительного хранения

№ каталога ВИР	Всхожесть,%
	Контроль (без обработки)	После обработки янтарной кислотой в концентрации (М)
		10-2	5×10-3	10-3	5×10-4
к-32453	45,7 ± 1,2	44,0 ± 2,0	42,5 ± 3,9	40,0 ± 5,0	40,7 ± 5,9
к-35726	6,0 ± 1,0	12,0 ± 2,0	10,0 ± 2,6	–	11,0 ± 3,0
к-36594	14,7 ± 1,5	16,3 ± 3,9	14,7 ± 4,3	24,0 ± 2,9	17,0 ± 1,0
к-38054	4,2 ± 1,1	2,0 ± 2,0	4,0 ± 1,0	4,0 ± 2,0	–
к-42790	33,0 ± 4,8	28,0 ± 2,0	32,0 ± 2,0	30,7 ± 5,2	32,0 ± 4,0

 

Таким образом, использование гетероауксина в концентрациях от 2,5×10^-7М до 10^-5М и янтарной кислоты в концентрациях от 5×10^-4М до 10^-2М с целью повышения всхожести семян пшеницы после длительного хранения, не во всех случаях дает положительный эффект. В основном стимулирующее действие проявилось на образцах к-35726 и к-36594. Трудно сказать, связано это с сортовыми особенностями этих образцов или значениями их исходной всхожести – низкими, но не минимальными для этого опыта. Разная реакция разных образцов пшеницы на обработку ИУК и янтарной кислотой не позволяет рекомендовать эти вещества для восстановления всхожести семян после длительного хранения в генетических банках. В дальнейшем предполагается провести испытания других природных и искусственных регуляторов роста растений, в случае успеха проконтролировать генетическую стабильность восстановленных образцов.

Финансирование Работа выполнена в рамках государственного задания Федерального исследовательского центра Всероссийского института генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова (ВИР), Санкт-Петербург, Россия № 0662-2018-0004 по теме «Совершенствование стратегии, теории, методов и технологий ex situ хранения генетических ресурсов растений без потери их жизнеспособности».	Funding The work was performed as part of the state assignment of the Federal Research Center N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources, St. Petersburg, Russia No. 0662-2018-0004 on the topic “Improving the strategy, theory, methods, and technologies of ex situ storage of plant genetic resources without losing their viability.”
Конфликт интересов Не указан.	Conflict of Interest None declared.