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

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

1. Сидорова К. К., Шумный В. К., Болоболова Е. У. О возможности использования линий гороха, маркированных геном Nod5, в качестве доноров в селекции на повышение азотфиксации// Докл. РАН, 2001. т. 377, № 6. с. 847—849.
2. Cидорова К. К., Назарюк В. М., Шумный В. К., Кленова М. И. Новая модель для определения эффективности бобово-ризобиального симбиоза // Там же. т. 380, № 2. с. 283—285.
3. Холодарь А. В., Сидорова К. К., Шумный В. К. Уровень индолил-3-уксусной кислоты и гиббереллинов в корнях симбиотических мутантов гороха (Pisum sativum L.)// Генетика. 2001. Т. 37, № 11. с. 1517—1521.
4. Акимова Г. П., Соколова М. Г., Нечаева Л. В., Лузова Г. Б., Мартынова Н. Г., Саляев Р. К., Сидорова К .К. Пероксидаза во взаимодействиях растений гороха с Rhizobium // Докл. РАН. 2002. Т. 385, № 2. С. 276—278.
5. Холодарь А. В., Сидорова К. К., Шумный В. К. Влияние синтетического ауксина 2.4-Д на уровень индолил-3-уксусной кислоты у сортов и суперклубеньковых мутантов гороха (Pisum sativum L.) //Там же. 2002. Т. 386, № 2. С. 283—285.
6. Назарюк В. М. Баланс и трансформация азота в агроэкосистемах. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2002. 256 с.
7. Назарюк В. М., Кленова М. И., Калимуллина Ф. Р. Эколого-агрохимические подходы к проблеме нитратного загрязнения в агроэкосистемах // Экология. 2002. № 6. С. 416—421.
8. Sidorova K. K., Shumny V. K., Vlasova E. Yu., Mischenko T. M. Dominant symbiotic pea mutants //Pisum Genetics. 2001. v. 33. p. 35.
9. Сидорова К. К., Назарюк В. М., Кленова М. И. Способ оценки азотфиксирующей способности бобовых культур. Решение о выдаче патента на изобретение. № 2001109176/13(009559). М., 2002.

В оглавление

Далее