Статья: Эколого-генетические принципы селекции растений на повышение эффективности взаимодействия с микроорганизмами

ЭКОЛОГО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ СЕЛЕКЦИИ РАСТЕНИЙ НА ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С МИКРООРГАНИЗМАМИ*

Н.А. Проворов, И.А. Тихонович

Рассматриваются проблемы создания экологически сбалансированных сельскохозяйственных систем на основе повышения эффективности взаимодействия между растениями и симбиотическими микроорганизмами (клубеньковыми бактериями, ростстимулирующими ризобактериями, микоризными грибами), что позволит существенно снизить объемы применяемых удобрений и средств защиты растений. Обоснована необходимость использования дикорастущих форм растений в качестве доноров хозяйственно ценных генов симбиоза, так как современные сорта интенсивного типа обеднены наследственными факторами, контролирующими эффективное взаимодействие с микроорганизмами. Изложены принципы координированной селекции растений и микроорганизмов, направленной на создание комплементарных сочетаний их генотипов с целью наиболее полного использования симбиотического потенциала. На примере бобовых культур показана высокая наследуемость количественных признаков симбиоза (нитрогеназная активность, продуктивность растений при симбиотрофном питании азотом, их предпочтительная заражаемость эффективными штаммами ризобий), а также возможность использования широкого спектра методов селекции для повышения симбиотического потенциала растений.

сельскохозяйственный растение симбиотический микроорганизмы

Симбиотические взаимодействия с микроорганизмами играют исключительно важную роль в жизни растений, обеспечивая их минеральное питание (в первую очередь азотное и фосфорное), адаптацию к абиотическим стрессам (повышенная температура или кислотность почвы, недостаток влаги, техногенные загрязнения), а также защиту от патогенов и вредителей (табл. 1). Интенсивные исследования растительно-микробных взаимодействий позволили существенно расширить наши представления о природе растений, их экологических функциях и способах хозяйственного использования. В рамках классических представлений физиологии растение рассматривали как сложный химический реактор, который, используя солнечную энергию, превращает неорганические вещества в органические (1). В рамках возникшей позднее физиологической экологии продуктивность растений расценивали как проявление нормы реакции на действие абиотических факторов среды -- освещенности, влажности, температуры, химического состава почвы, особенностей климата (2). Однако по мере развития биоценотических представлений стало очевидным, что растения выполняют функцию первичных продуцентов в природных или искусственных экосистемах главным образом за счет интеграции с их биотическими компонентами (3). Среди последних центральное место занимают микроорганизмы, которые являются для растений донорами широкого круга адаптивно значимых функций. Поэтому очевидно, что экосистемные функции растений не сводятся к продуцированию органического вещества. Растение предоставляет множество ниш для развития микроорганизмов (поверхность органов, ткани и клетки), образуя в совокупности с ними сложное сообщество (симбионтоценоз), которое выполняет функцию первичного продуцента, а в значительной степени -- и первичного консумента органического вещества в экосистемах.

Соответственно эволюции представлений о природе и экосистемных функциях растений изменяется и стратегия их использования в сельском хозяйстве. Интенсивное землепользование, предусматривающее массированное применение удобрений и химических средств защиты, уступает место экологически сбалансированному (sustainable) землепользованию, основанному на реализации адаптивного потенциала растений в системе агроценоза (4).

1. Практически значимые микробно-растительные симбиозы

К сожалению, современные сорта интенсивного типа не всегда способны в силу генетических особенностей к взаимодействию с полезной микрофлорой. Так, у большинства бобовых культур потенциал симбиотической азотфиксации в модельных опытах в 3-4 раза превышает таковой в производственных условиях, то есть реально достигаемый (5). За счет селекции бобовых и совершенствования технологий применения микробных препаратов интенсивность симбиотической азотфиксации можно увеличить не менее чем на 300 % (6). Однако для реализации этого потенциала необходима серьезная перестройка селекции растений: она должна перейти от создания сортов интенсивного типа, ориентированных на использование минеральных удобрений и химических средств защиты, к конструированию «адаптивных» сортов, формирующих высокую продуктивность за счет биологического потенциала самих растений, достигнутого в ходе длительной коэволюции с окружающими организмами.

Идеи адаптивной селекции растений были заложены в трудах выдающегося эколога первой половины XX века Д. Ацци (7, 8), после чего получили активное развитие, в том числе и в нашей стране (9). Одним из основных направлений адаптивной селекции является симбиотическая селекция, нацеленная на повышение эффективности взаимодействия между растениями и полезными микроорганизмами (10). В мировой практике опыт этой работы пока ограничен симбиотической азотфиксацией, происходящей в клубеньках бобовых: люцерны, клевера, гороха, фасоли (11-15). Хотя генотипы, отселектированные на повышенную интенсивность азотфиксации, еще не нашли широкого хозяйственного применения, полученные данные показали чрезвычайную перспективность симбиотической селекции и позволили сформулировать общие принципы, которые должны быть положены в ее основу.

Симбиотический потенциал дикорастущих и культурных форм растений

Среди многочисленных функций, выполняемых микросимбионтами растений, наиболее широко распространена способность улучшать питание хозяина за счет азотфиксации, осуществляемой эндосимбиотическими или ассоциативными бактериями, а также мобилизации питательных веществ почвы, опосредованной главным образом микоризными грибами (16). Детально изучена симбиотрофность у бобовых растений, более 90 % которых вступают в симбиоз с азотфиксирующими клубеньковыми бактериями или ризобиями (17). При симбиозе бобовые образуют на корнях особые органы -- клубеньки, в которых ризобии синтезируют фермент нитрогеназу, катализирующий восстановление молекулярного азота до аммиака. Генетику бобово-ризо-биального симбиоза в настоящее время интенсивно исследуют у обоих партнеров. В частности, у бобовых растений выявлено уже свыше 100 генов, контролирующих все основные стадии развития клубеньков, а также системную регуляцию этого процесса и азотфиксирующую активность (18).

Для бобовых характерны два способа получения азота, обозначенные как симбиотрофный и автотрофный типы азотного питания (19). Несмотря на разнообразие методов оценки эффективности симбиотической азотфиксации, в их основу может быть положен единый подход, заключающийся в сравнении продуктивности растений в условиях, оптимальных для питания либо фиксированным, либо связанным азотом. В простейшем случае коэффициент симбиотической эффективности вычисляют по формуле Е = (М_с/М_а)100 %, где М_с и М_а -- продуктивность растений соответственно при симбиотрофном и автотрофном питании азотом (20).

Использование этого подхода позволило выявить широкое внутри- и межвидовое варьирование бобовых по способности использовать альтернативные источники азота (18). Для большинства сортов традиционных культур -- люцерны (Medicago sativa, M. varia), сои (Glycine max, G. soja), фасоли обыкновенной (Phaseolus vulgaris), гороха посевного (Pisum sativum), вики посевной (Vicia sativa) -- характерно преобладание автотрофного азотного питания над симбиотрофным либо равнозначное использование этих источников азота. Преобладание симбиотрофного питания азотом выявлено лишь у некоторых новых культур, таких как вика мохнатая (V. villosa), клевер переменчивый (Trifolium ambiguum), козлятник восточный (Galega orientalis). Это связано с тем, что селекцию растений традиционно проводят на высоком агрохимическом фоне, включающем достаточное (а часто и избыточное) количество азота. Очевидно, что длительная селекция в таких условиях не могла не привести к обеднению генофонда растений наследственными факторами, контролирующими способность к симбиотрофному азотному питанию: селекционеры и растениеводы бессознательно «отучали» растения использовать экологически безопасный, но энергетически дорогостоящий атмосферный азот (19).

Снижение симбиотического потенциала при окультуривании и селекции можно проследить для ряда бобовых культур. Так, у люцерны и гороха дикорастущие популяции и местные сорта превосходят селекционные сорта по нитрогеназной активности (21, 22). У пажитника греческого (Trigonella foenum graecum) окультуренный подвид -- сенной (foenum graecum) уступает дикорастущему подвиду -- индийскому (indicus) по интенсивности образования клубеньков и азотфиксации (23, 24). У фасоли выявлено превосходство по азотфиксирующей активности примитивного вьющегося экотипа над окультуренным кустовым экотипом (25). При гибридизации этих экотипов получены линии, у которых комплекс хозяйственно ценных признаков, сформированный в ходе длительной селекции, совмещен с высоким уровнем азотфиксации, характерным для примитивных форм фасоли (15).

Таким образом, ближайшей задачей селекции бобовых следует считать восстановление естественного потенциала симбиотической азотфиксации. При этом необходимо максимально широко использовать дикорастущие и малоокультуренные формы; вавиловский принцип вовлечения в селекцию природного разнообразия растений в этом случае чрезвычайно актуален. Особое внимание селекционеры должны уделять центрам происхождения бобовых культур, которые являются резервуарами природной изменчивости не только растений-хозяев, но и их симбионтов (26). На примере пажитника и гороха показано, что в дикорастущих популяциях и у местных сортов изменчивость по симбиотическим признакам выражена намного сильнее, чем у селекционных сортов (24, 27). Очевидно, что этот полиморфизм позволяет растениям использовать разнообразные природные источники азота, обеспечивая стабильное поддержание популяций в широком диапазоне почвенных условий и при взаимодействии с различными формами бактерий.

Задача восстановления природного симбиотического потенциала актуальна и для других типов растительно-микробных взаимодействий. Так, для пшеницы показано превосходство дикорастущих диплоидных форм над гексаплоидными сортами по эффективности поддержания в ризосфере PGPR-бактерий (Plant Growth Promoting Rhizobacteria): число бактериальных клеток на 1 мг углерода корневых экссудатов у диплоидов в 20-30 раз выше, чем у гексаплоидов (28). У дикорастущих форм и местных сортов гороха и кукурузы выявлена более высокая эффективность образования арбускулярной микоризы, чем у сортов интенсивного типа (29, 30).

Несмотря на то, что для селекционных сортов бобовых в целом характерна пониженная по сравнению с дикорастущими формами эффективность симбиоза, в сортах сохраняется определенное количество симбиотически активных генотипов, которые могут и должны быть вовлечены в селекцию. Об этом свидетельствует высокая внутри- и межсортовая изменчивость по признакам симбиоза, выявленная практически у всех бобовых культур. Для многих сортов бобовых характерно преобладание генотипов с низкой симбиотической активностью, что выражается в левосторонне-асимметричных (As > 0) распределениях индивидуальных растений по нитрогеназной активности и числу клубеньков (18). Это показывает, что структура сортовых популяций бобовых складывалась в условиях сдвига баланса между различными типами азотного питания в пользу автотрофного, что было связано с активным применением азотных удобрений.

Оценка исходного материала

Симбиотическая селекция требует оценки большого количества генотипов растений на эффективность взаимодействия с микроорганизмами, что технически часто бывает трудновыполнимо. Поэтому разработано несколько групп экспресс-методов, позволяющих решать эту задачу:

-- Отбор растений на обедненных субстратах. Весьма эффективным является отбор бобовых, обладающих повышенной симбиотической активностью, на безазотном (резко обедненном по азоту) фоне. Сходная методология может быть использована при селекции растений на взаимодействие и с другими микроорганизмами, выполняющими трофические функции, например с микоризными грибами.

-- Учет интенсивности колонизации растений микроорганизмами. В случае морфологически оформленных взаимодействий (например бобово-ризобиального симбиоза) можно проводить учет образования анатомических структур, характерных для симбиоза. При взаимодействиях, не сопровождаемых образованием специальных органов (симбиозы с эндофитными и эпифитными микроорганизмами, разные формы микоризы), присутствие симбионтов в тканях или на поверхности органов растений можно регистрировать с помощью специально введенных генов-репортеров (lacZ, gus, lux, gfp).