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

В результате селекции по АРА нам удалось получить линии гороха, продуктивность которых увеличивается в безазотной среде, но уменьшается при внесении нитратов (14). У этих линий соотношение симбиотрофного и автотрофного типов питания азотом было более сбалансированным: коэффициент эффективности составлял в среднем 96,06,5 %, тогда как у исходных сортов -- 77,03,5 %. Анализ полученных линий показал, что селекцию бобовых целесообразно проводить лишь на относительно небольшое превышение (на 30-50 %) нитрогеназной активности над исходным уровнем, тогда как существенное увеличение последней (в 4-6 раз) сопровождается снижением массы растений.

Представленные данные свидетельствуют о нецелесообразности резкого изменения эволюционно сложившегося соотношения между симбиотрофным и автотрофным типами азотного питания, характерного для каждого вида растений. Возможность достижения оптимального баланса двух типов питания при симбиотической селекции показана на примере люцерны (11). Популяции, отобранные на повышенную активность азотфиксации в безазотном субстрате (песке), не проявляли эту активность при выращивании в почве. На основании данных о повышенной чувствительности симбиотического аппарата полученных форм люцерны к связанному азоту было предложено модифицировать схему селекции и проводить отбор не только на безазотных субстратах, но и в присутствии нитратов (1-8 мМ), после чего объединять растения в синтетические популяции (12, 61). При использовании этого подхода удалось создать формы люцерны, у которых максимальная эффективность симбиоза проявлялась на разных фонах азотных удобрений. Аналогичные формы получены и у клевера лугового: некоторые из популяций, отселектированных в безазотных условиях, сохраняли повышенную (на 40-60 %) активность азотфиксации в присутствии нитратов (13).

Очевидно, что сбалансированное соотношение различных типов азотного питания сопряжено с оптимизацией энергетического обеспечения растений, так как образование симбиозов требует значительных затрат энергии (до 20 % продуктов фотосинтеза в случае бобово-ризобиального симбиоза или арбускулярной микоризы). Однако эти затраты являются восполнимыми, так как при взаимодействии с симбиотическими микроорганизмами обычно наблюдается стимуляция фотосинтетической активности растений, которая часто снижается при внесении эквивалентных доз минеральных удобрений (30, 62). Тесная взаимосвязь между интенсивностью фотосинтеза и эффективностью симбиотической азотфиксации, выявленная у ряда бобовых, свидетельствует о возможности параллельного улучшения этих показателей селекционными методами (18). Одним из следствий изменения энергетического статуса растений, отобранных на активную азотфиксацию, может быть повышение скорости их развития. Так, при селекции многолетних форм люцерны был получен сорт Nitro, активно фиксирующий азот и являющийся однолетником (12). Высокой активностью азотфиксации обладают сорта люцерны пастбищного типа, отселектированные на увеличение скорости отрастания (63). Генотипы козлятника восточного с повышенной нитрогеназной активностью способны формировать значительное количество семян уже в первый год жизни (35).

Координированная селекция растений и микроорганизмов

Эффективность любой растительно-микробной системы зависит от генотипов обоих партнеров, поэтому необходимы координированные исследования растений и микроорганизмов. Для организации этой работы важно знать, каковы относительные генотипические вклады партнеров в определение эффективности симбиоза. Общим подходом к решению этой задачи является двухфакторный дисперсионный анализ эффективности симбиоза, образуемого различными генотипами растений и микроорганизмов. Этот подход позволяет разделить общее варьирование симбиотической активности на четыре составляющие, которые соответствуют аддитивным (неспецифическим) действиям генов растений и штаммов бактерий, их неаддитивному (специфическому) взаимодействию, а также влиянию «неконтролируемых» (случайных) факторов (18).

Анализ различных бобово-ризобиальных систем показал, что вклад генотипов партнеров в варьирование показателей симбиотической активности зависит от вида растений, изучаемого признака, а также условий опыта. Так, нитрогеназная активность клубеньков приблизительно в равной степени контролируется генотипами партнеров, тогда как эффективность симбиоза зависит главным образом от генотипа растений (23). Наиболее изменчивым фактором оказалось неаддитивное сорто-штаммовое взаимодействие, которое в одних случаях обусловливало более 70 % варьирования симбиотической активности (64), а в других -- не проявлялось вообще (65, 66). При этом была выявлена важная закономерность: аддитивное действие генов растений или бактерий не коррелирует с общей эффективностью симбиоза, тогда как в случае неаддитивного взаимодействия эта корреляция наблюдается при сравнении различных бобовых культур или показателей активности симбиоза, а также оценке действия на азотфиксацию почвенных условий (табл. 3).

3. Оценка взаимосвязи между симбиотической эффективностью и вкладом партнеров в общее варьирование признаков при инокуляции бобовых растений ризобиями

Полученные данные подтверждают высказанную ранее гипотезу о том, что наиболее эффективный симбиоз формируется в тех случаях, когда в максимальной степени реализуется специфичность взаимодействия генотипов растений и штаммов бактерий (76). Очевидно, что высокая эффективность симбиотической азотфиксации может быть достигнута посредством создания комплементарных сочетаний генотипов партнеров, для чего и должна проводиться их координированная селекция. Такая селекция необходима и в системах ассоциативного симбиоза, эффективность которых существенно зависит от взаимодействия растительных и бактериальных генотипов (77).

Необходимо отметить, что в различных опытах высокая эффективность симбиоза коррелировала с низким уровнем ее «неконтролируемого» варьирования (см. табл. 3). Источником этого варьирования может служить как недостаточная выравненность условий в разных повторностях (ошибка опыта), так и генетическая изменчивость индивидуальных растений по признакам симбиоза. О важной роли второго фактора свидетельствует то, что у растений люцерны наибольший вклад «неконтролируемых» факторов (50-70 % от общего варьирования эффективности симбиоза) был выявлен в микровегетационных опытах, которые проводили в строго контролируемых и благоприятных для симбиоза условиях, однако при этом в каждой повторности испытывали единичные растения, что создавало предпосылки для максимального проявления внутрисортового полиморфизма (67, 78). В модельном опыте с пажитником греческим нами установлено, что при высоком полиморфизме растений невозможно подобрать штаммы ризобий, инокуляция которыми обеспечивала бы общее повышение продуктивности популяции, хотя при снижении изменчивости растений такой подбор не вызывает затруднений (23).

Вышеизложенное позволяет предположить, что не только сорта бобовых, но и индивидуальные растения внутри каждого сорта полиморфны по специфичности, проявляемой по отношению к бактериям. Действительно, у клевера лугового эмпирически выявляемая структура сортовых популяций зависит от штамма ризобий, использованного для инокуляции растений (47, 79). Следовательно, координированная селекция партнеров возможна лишь при достаточной выравненноcти растительных популяций, на фоне которой могут быть выявлены бактериальные штаммы, генетически комплементарные всем инокулируемым растениям (или хотя бы большинству из них).

Заключение

Симбиотическая селекция, направленная на использование потенциала микробно-растительных взаимодействий, является одним из важнейших условий создания систем экологически сбалансированного земледелия. Традиционно эти взаимодействия регулировали посредством отбора из природной среды обитания, а затем и направленного конструирования симбиотических микроорганизмов (52, 80-82). Проблема селекции растений по признакам симбиоза существует уже достаточно давно, однако эти признаки до сих пор остаются для селекционеров terra incognita (20, 49). Активное исследование генетических, физиологических, молекулярных и экологических механизмов микробно-растительных взаимодействий создало предпосылки для развития принципиально новых селекционных подходов, направленных на создание сортов, способных формировать высокую продуктивность за счет использования симбиотического потенциала. Накопленные данные позволяют нам сформулировать ряд принципов симбиотической селекции.

Во-первых, это вовлечение в селекционный процесс дикорастущих и малоокультуренных форм растений, которые сохранили эволюционно обусловленную способность адаптироваться к условиям среды в результате кооперации с микроорганизмами. Восстановление и преумножение симбиотического потенциала растений, в значительной степени утраченного в ходе сельскохозяйственной деятельности человека, -- одна из актуальных задач селекции. Во-вторых, это координированная селекция растений и микроорганизмов, направленная на создание комплементарных сочетаний их генотипов. Исходя из вавиловского представления о селекции как об эволюции, направляемой человеком (83), мы должны разработать методологию селекции, которая бы являлась аналогом естественного процесса коэволюции растений и микроорганизмов, приводящей к взаимной адаптации их генетических систем (84).

Не вызывает сомнений, что будущее симбиотической селекции в значительной степени связано с использованием молекулярных методов, которые активно применяют для анализа тонких механизмов микробно-растительных взаимодействий. Без выяснения организации и функций симбиотических генов растений и бактерий нельзя говорить о направленном повышении эффективности их взаимодействия и тем более о конструировании новых симбиозов. Оптимизация симбиотических систем требует создания высокоспецифичных систем узнавания, а также совместимости микросимбионтов с защитными и метаболическими системами растений, в первую очередь с системами снабжения энергией.

Для решения комплекса задач, связанных с организацией симбиотической селекции, необходимы междисциплинарные исследования, в которых должны участвовать специалисты разных профилей -- сообщества ученых, владеющих знаниями и методами в смежных областях. Примером такого сообщества служит Международное общество молекулярных микробно-растительных взаимодействий -- International Society of Molecular Plant-Microbe Interactions (IS-MPMI), 11-й Конгресс которого (июль 2003 года, Санкт-Петербург) будет посвящен проблемам молекулярно-генетического анализа и направленного улучшения симбиотических систем.

ЛИТЕРАТУРА

Т и м и р я з е в К.А. Физиология растений как основа рационального земледелия. В кн.: К.А. Тимирязев. Земледелие и физиология растений. М., 1957: 11-62.

Л а р х е р В. Экология растений. М., 1978.

Б и г о н М., Х а р п е р Дж., Т а у н с е н д К. Экология. Особи, популяции и сообщества. М., 1989, 1: 619-660.

Т и х о н о в и ч И.А., П р о в о р о в Н.А. Пути использования адаптивного потенциала систем «растение--микроорганизм» для конструирования высокопродуктивных агрофитоценозов. С.-х. биол., 1993, 5: 36-46.

К о ж е м я к о в А.П., Т и х о н о в и ч И.А. Использование инокулянтов бобовых и биопрепаратов комплексного действия в сельском хозяйстве. Докл. РАСХН, 1998, 6: 7-10.

V a n c e С.P. Legume symbiotic nitrogen fixation: agronomic aspects. In: The Rhizobiaceae/ Eds. H.P. Spaink, A. Kondorosi, P.J..J. Hooykaas. Dordrecht, 1998: 509-530.

А ц ц и Дж. Сельскохозяйственная экология. М.-Л., 1932.

А ц ц и Дж. Сельскохозяйственная экология. М., 1959.

Ж у ч е н к о А.А. Адаптивный потенциал культурных растений (эколого-генетические основы). Кишинев, 1988.

Ж у ч е н к о А.А. Стратегия адаптивной интенсификации сельского хозяйства (концепция). Пущино, 1994.

B a r n e s D.K., H e i c h e l G.H., V a n c e C.P. e.a. A multiple-trait breeding program for improving the symbiosis for N₂ fixation between Medicago saliva L. and Rhizobium meliloti. Plant and Soil, 1984, 32: 303-314.

P h i l l i p s D.A., T e u b e r L.R. Plant genetics of symbiotic nitrogen fixation. In: Biological Nitrogen Fixation /Eds. G. Stacey, R.H. Burris, H.J. Evans. N.Y., London, 1992: 625-647.

N u t m a n P.S. Improving nitrogen fixation in legumes by plant breeding; the relevance of host selection experiments in red clover (Trifolium pratense L.) and subterranean clover (T. subterraneum L.). Plant and Soil, 1984, 82: 285-301.

Т и х о н о в и ч И.А., А л и с о в а С.М., Ч е т к о в а С.А. и др. Повышение эффективности азотфиксации путем отбора линий гороха по активности нитрогеназы. С.-х. биол., 1987, 2: 29-34.

B l i s s F. Breeding common bean for improved biological nitrogen fixation. Plant and Soil, 1993, 152: 71-79.

D o u g l a s A.E. Symbiotic Interactions. Oxford, N.Y., Toronto, 1994.

A l l e n O.N., A l l e n E.K. The Leguminosae. A source book of characteristics, uses and nodulation. Madison, 1981.

Генетика симбиотической азотфиксации с основами селекции /Под ред. И.А. Тихоновича, Н.А. Проворова. СПб, 1998.

П р о в о р о в Н.А. Соотношение симбиотрофного и автотрофного питания азотом у бобовых растений: генетико-селекционные аспекты. Физиол. раст., 1996, 43: 127-135.

G i b s o n A.H. Genetic variation in the effectiveness of nodulation of lucerne varieties. Austral. J. Agric. Res., 1962, 13: 388-399.

С а и м н а з а р о в Ю.Б. Взаимодействие штаммов Rhizobium meliloti с сортами люцерны среднеазиатского генцентра. Автореф. канд. дис. Л., 1991.

Т и х о н о в и ч И.А. Генетический контроль симбиотической азотфиксации у гороха. Автореф. докт. дис. Л., 1991.

P r o v o r o v N.A., S i m a r o v B.V. Genetic variation in alfalfa, sweet clover and fenugreek for the activity of symbiosis with Rhizobium meliloti. Plant Breeding, 1990, 105: 300-310.

P r o v o r o v N.A., S o s k o v Yu. D., L u t o v a L.A. e.a. Investigation of the fenugreek (Trigonella foenum graecum L.) genotypes for fresh weight, seed productivity, symbiotic activity, callus formation and accumulation of steroids. Euphytica, 1996, 88: 129-138.

G r a h a m P.H., R o s a s J.C. Growth and development of indeterminate bush and climbing cultivars of Phaseolus vulgaris L. inoculated with Rhizobium. J. Agr. Sci. Camb., 1977, 88: 503-508.

П р о в о р о в Н.А. Перспективы использования популяций некоторых видов семейства Fabaceae в селекции на повышение интенсивности симбиотической азотфиксации. Раст. ресурсы, 1996, 32: 124-134.