Флуоресценция хлорофилла листьев пшеницы при инфицировании Bipolaris sorokiniana, хлоридном засолении и гипертермии семян

Представлены результаты измерения и сравнение информативности параметров флуоресценции хлорофилла (ФлХ) 10-суточных проростков яровой пшеницы в лабораторных условиях при раздельном и совместном действии стрессоров. Исследования проводили в 2020, 2021 гг. Установлено, что раздельное и совместное действие хлоридного засоления (1,3%), инфицирования возбудителем корневой гнили злаков Bipolaris sorokiniana Shoem. (5000 конидий на зерно) подавляло световые и темновые реакции фотосинтеза. Обнаружено достоверное снижение эффективного квантового выхода Y(II), коэффициента фотохимического тушения qP и скорости электронного транспорта ETR у обоих сортов, наибольшее – в варианте совместного действия стрессоров (до 62,7%). Максимальный фотохимический квантовый выход ФС II Fv / Fm оказался менее информативным, достоверных изменений параметра не обнаружено. Ингибирование светозависимых реакций сопровождалось достоверным увеличением значений параметров нефотохимического тушения ФлХ – коэффициента qN и квантового выхода регулируемого нефотохимического тушения ФлХ Y(NPQ) от 24,1 до 72,1% у обоих сортов, наиболее выраженным у сорта Сибирская 12. Параметр Y(NO) – квантовый выход нерегулируемого нефотохимического тушения ФлХ – изменялся недостоверно относительно контроля у обоих сортов. Выявлен положительный эффект предварительной гипертермии семян (43 °С) на функциональную активность фотосинтетического аппарата проростков – достоверное (р ≤ 0,05) увеличение значений параметров Y(II), qP, ETR (на 18,0–59,0%) и снижение значений параметров Y(NPQ), Y(NO) и qN (на 18,8–35,1%) при последующем действии инфицирования и хлоридного засоления у обоих сортов, преимущественно у сорта Омская 18. Установлена информативность параметров ФлХ для оценки стрессоустойчивости сортов. Достоверные межсортовые различия (от 1,2–6,2 раза) выявлены практически по всем параметрам (кроме Fv / Fm, Y(NO), Fv) по всем вариантам опыта. Установлена сортоспецифичность – наименьшие изменения параметров ФлХ относительно контроля были у устойчивого сорта Омская 18 во всех вариантах опыта. Предложенный подход позволит разработать неинвазивный метод ранней диагностики стрессоустойчивости (фенотипирования) новых генотипов пшеницы к действию биотических и абиотических стрессоров.

1. Kissoudis C., Chowdhury R., Van Heusden S., Van de Wiel C., Finkers R., Visser R.G., Bai Y., Van der Linden G. Combined biotic and abiotic stress resistance in tomato // Euphytica. 2015. Vol. 202. N 2. P. 317–332. DOI: 10.1007/s10681–015–1363–x.

2. Atkinson N.J., Lilley C.J., Urwin P.E. Identification of genes involved in the response of Arabidopsis to simultaneous biotic and abiotic stresses // Plant Physiology. 2013. Vol. 162. P. 2028–2041. DOI: 10.1104/pp.113.222372.

3. Власенко Н.Г. Основные методологические принципы формирования современных систем защиты растений // Достижения науки и техники АПК. 2016. Т. 30. № 4. С. 25–29.

4. Кононенко Н.В., Диловарова Т.А., Канавский Р.В., Лебедев С.В., Баранова Е.Н., Федореева Л.И. Оценка морфологических и биохимических параметров устойчивости различных генотипов пшеницы к хлоридному засолению // Вестник Российского университета дружбы народов. Серия: Агрономия и животноводство. 2019. Т. 14. № 1. С. 18–39. DOI: 10.22363/2312-797Х-2019-14-1-18-39.

5. Гурова Т.А., Осипова Г.М. Инструментальные методы и программно-аппаратные средства при решении проблемы стрессоустойчивости в растениеводстве // Вычислительные технологии. 2016. Т. 21. Спец. вып. 1. С. 65–74.

6. Hatsugai N., Katagiri F. Quantification of Plant Cell Death by Electrolyte Leakage Assay // Bio-protocol. 2018. Vol. 8 (5). DOI: 10.21769/BioProtoc.2758.

7. Ступко В.Ю., Зобова Н.В., Сидоров А.В., Гаевский Н.А. Перспективные способы оценки яровой мягкой пшеницы на чувствительность к эдафическим стрессам // Достижения науки и техники АПК. 2019. Т. 33. № 10. С. 45–50.

8. Jian-Kang Zhu1. Abiotic Stress Signaling and Responses in Plants // Cell. 2016. Vol. 167 (2). P. 313–324. DOI: 10.1016/j. cell. 2016.08.029.

9. Лысенко В.С., Вардуни Т.В., Сойер В.Г., Краснов В.П. Флуоресценция хлорофилла растений как показатель экологического стресса: теоретические основы применения метода // Фундаментальные исследования. 2013. № 4. С. 112–121.

10. Pérez-Bueno M.L., Pineda M., Barón M. Phenotyping Plant Responses to Biotic Stress by Chlorophyll Fluorescence Imaging // Frontiers in Plant Science. 2019. Vol. 10. P. 1135. DOI: 10.3389/fpls.2019.01135.

11. Kalaji H.M., Schansker G., Brestic M. Frequently asked questions about chlorophyll fluorescence, the sequel // Photosynthesis Research. 2017. Vol. 132. Is. 1. P. 13–66.

12. Qian Xia, Jinglu Tan, Shengyang Cheng, Yongnian Jiang, Ya Guo. Sensing Plant Physiology and Environmental Stress by Automatically Tracking Fj and Fi Features in PSII Chlorophyll Fluorescence Induction // Photochemistry and Photobiology. 2019. Vol. 95. Iss. 6. P. 1495–1503.

13. Гольцев В.Н., Каладжи Х.М., Паунов М., Баба В., Хорачек Т., Мойски Я., Коцел Х., Аллахвердиев С.И. Использование переменной флуоресценции хлорофилла для оценки физиологического состояния фотосинтетического аппарата растений // Физиология растений. 2016. Т. 63. № 6. С. 881–907.

14. Корнеев Д.Ю. Информационные возможности метода индукции флуоресценции хлорофилла: монография. Киев: Альтерпрес, 2002. 188 с.

15. Baker N.R. Chlorophyll fluorescence: a probe of photosynthesis in vivo // Annual review of plant biology. 2008. Vol. 59. P. 89–113. DOI: 10.1146/annurev.arplant.59.032607.092759.

16. Смоликова Г.Н., Лебедев В.Н., Лопатов В.Е., Тимощук В.А., Медведев С.С. Динамика фотохимической активности фотосистемы II при формировании семян Brassica L. // Вестник Санкт-Петербургского университета. 2015. Серия 3. Вып. 3. С. 53–65.

17. Нестеренко Т.В., Шихов В.Н., Тихомиров А.А. Флуоресцентный метод определения реактивности фотосинтетического аппарата листьев растений // Журнал общей биологии. 2019. Т. 80. № 3. С. 187–199.

18. Sherstneva O., Khlopkov A., Gromova E., Yudina L., Vetrova Y., Pecherina A., Kuznetsova D., Krutova E., Sukhov V., Vodeneev V. Analysis of chlorophyll fluorescence parameters as predictors of biomass accumulation and tolerance to heat and drought stress of wheat (Triticum aestivum) plants // Functional Plant Biology. 2021. Vol. 49 (2). P. 155–169. DOI: 10.1071/FP21209.

19. Saddiq M.S., Iqbal S., Hafeez M.B., Ibrahim A.M.H., Raza A., Fatima E.M., Baloch H., Jahanzaib, Woodrow P., Ciarmiello L.F. Effect of Salinity Stress on Physiological Changes in Winter and Spring Wheat // Agronomy. 2021. Vol. 11. P. 1193. DOI: 10.3390/ agronomy11061193.

20. Todorova D., Aleksandrov V., Anev S., Sergiev I. Photosynthesis Alterations in Wheat Plants In duced by Herbicide, Soil Drought or Flooding // Agronomy 2022. Vol. 12. P. 390. DOI: 10.3390/agronomy 12020390.

21. Пимкин М.Ю. Оценка токсического действия пестицидов на сорта и формы яблони методом индуцированной флуоресценции хлорофилла // Плодоводство и ягодоводство. 2013. Т. 36. № 2. С. 78–84.

22. Алейников А.Ф., Минеев В.В. Изменение флуоресценции хлорофилла земляники садовой при воздействии гриба Ramularia tulasnei Sacc // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. 2019. Т. 49. № 2. С. 94–102.

23. Попов С.Я., Пономаренко Е.К., Гинс М.С., Байков А.А. Анализ различных параметров флуоресценции хлорофилла в листьях земляники садовой при повреждении атлантическим паутинным клещом Tetranychus atlanticus McGregor // Плодоводство и ягодоводство России. 2016. Т. 46. С. 323–329.

24. Магомедова М.Х., Алиева М.Ю. Флуоресцентная реакция растений на различия в минеральном питании // Известия Дагестанского государственного педагогического университета. 2010. № 3 (12). С. 60–64.

25. Ерошенко Ф.В., Сторчак И.Г., Чернова И.В. Оценка состояния растений методами экспресс-диагностики // Аграрный вестник Урала. 2019. № 7 (186). С. 19–25.

26. Васильева Н.В., Синещеков В.Е. Причины усиления распространения корневых гнилей всходов яровой пшеницы в лесостепи Приобья // Вестник НГАУ. 2016. № 4 (41). С. 13–18.

27. Rios J.A., Aucique-Pérez C.E., Debona D., Cruz Neto L.B.M., Rios V.S., Rodrigues F.A. Changes in leaf gas exchange, chlorophyll a fluorescence and antioxidant metabolism within wheat leaves infected by Bipolaris sorokiniana. // Annals of Applied Biology. 2017. Vol. 170. Iss. 2. P. 189–203. DOI: 10.1111/aab.12328.

28. Маторин Д.Н., Тимофеев Н.П., Глинушкин А.П., Братковская Л.Б., Заядан Б.К. Исследование влияния грибковой инфекции Bipolaris sorokiniana на световые реакции фотосинтеза пшеницы с использованием флуоресцентного метода // Вестник Московского университета. Серия 16. Биология. 2018. Т. 73. № 4. С. 247–253.

29. Гурова Т.А., Луговская О.С., Свежинцева Е.А. Адаптивные реакции проростков пшеницы, дифференцирующие сорта при гипертермии // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. 2019. Т. 49. № 3. С. 31–40. DOI: 10.26898/0370-8799-2019-3-4.

30. Гурова Т.А., Свежинцева Е.А., Чесноченко Н.Е. Адаптация сортов пшеницы при гипертермии, хлоридном засолении и инфицировании Bipolaris sorokiniana Shoem // Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. 2020. № 6. С. 12–25. DOI: 10.26898/0370-8799-2020-6-2.

31. Oláh V., Hepp A., Irfan M., Mészáros I. Chlorophyll Fluorescence Imaging-Based Duckweed Phenotyping to Assess Acute Phytotoxic Effects // Plants. 2021. Vol. 10. P. 2763. DOI: 10.3390/plants10122763.

32. Абрамчик Л.М., Сердюченко Е.В., Пашкевич Л.В., Макаров В.Н., Зеневич Л.А., Кабашникова Л.Ф. Стрессовые реакции зеленых проростков ячменя в условиях инфицирования патогенным грибом Bipolaris sorokiniana (Sacc.) Shoem и повышенной температуры // Весці нацыянальнай акадэміі навук Беларусі. 2015. № 2. С. 38–43.

33. Lichtenthaler H.K., Buschmann C., Knapp M. How to Correctly Determine the Different Chlorophyll Fluorescence Parameters and the Chlorophyll Fluorescence Decrease Ratio RFd of Leaves with the PAM Fluorometer // Photosynthetica. 2005. Vol. 43. P. 379–393.

34. Roháček K., Soukupová J., Barták M. Chlorophyll fluorescence: a wonderful tool to study plant physiology and plant stress. // Plant Cell Compartments. Selected Topics / ed. Schoefs B. Kerala: Research Signpost. 2008. P. 41–104.

35. Kramer D.M., Johnson G., Kiirats O., Edwards G.E. New flux parameters for the determination of QA redox state and excitation fluxes // Photosynthesis Research. 2004. Vol. 79. P. 209–218.