Растително-почвени взаимодействия – Научна група 1
Научна група
Генетични ресурси, ефективност на минералното хранене и толерантност към стрес на житни култури
Важна предпоставка за устойчиво производство при земеделските култури е създаването на сортове с подобрени стопански признаци и адаптивност към променящите се условия на околната среда, базирано на адекватни научни знания. Изследванията на научната група са фокусирани върху проучване на генетичното разнообразие и изясняване на генетичния контрол и физиологичните механизми на регулация на признаци, свързани с продуктивността и толерантността към неблагоприятни фактори. Основен обект на изследванията са житните култури.
Използваме интегрален подход, съчетаващ генетични, физиологични, биохимични, биофизични и цитологични методи. Целта на изследванията е познанията, които получаваме на база моделни опити, да преведем на езика на селекцията посредством обвързване на лабораторни и полски експерименти. Това би позволило на селекционерите да използват придобитата научна информация в иновативни разработки.
Растенията регулират своя растеж в съответствие с достъпността на основните ресурси, основно вода и хранителни елементи. Познанието за това как растенията реагират на дефицит на тези ресурси е от значение за определяне на подходящи подходи за подобряване ефективността на тяхното използване и запазване на продуктивността в райони с органичено количество водни и хранителни ресурси. Сред важните фактори, свързани с реакцията към засушаване при пшеницата, са процесите на поглъщане и асимилиране на неорганичния азот от почвата и усвояване на светлинната енергия и въглерода от СО2 в процеса фотосинтеза. Изясняването на връзката азотен–фотосинтетичен обмен при засушаване при различни генотипи пшеница е от съществено значение за изграждане образа на толерантното към засушаване растение.
(2016-2021) Проект по двустранно научно-техническо сътрудничество финансиран от ФНИ-МОН, разработван съвместно с Факултет по Агробиология и Хранителни Ресурси, Университет в Нитра, Словакия, на тема “Оценка на реакцията към засушаване и азотен дефицит на базата на изучаване връзката между фотосинтеза и азотен обмен на сортове обикновена пшеница от българска и словашка селекция”, ръководител: проф. д-р Светлана Мишева, участници: доц. д-р Константина Кочева, гл. ас. д-р Петър Петров, гл. ас. д-р Таня Кърцева.
Растенията регулират своя растеж в съответствие с достъпността на основните ресурси, основно вода и хранителни елементи. Познанието за това как растенията реагират на дефицит на тези ресурси е от значение за определяне на подходящи подходи за подобряване ефективността на тяхното използване и запазване на продуктивността в райони с органичено количество водни и хранителни ресурси. Сред важните фактори, свързани с реакцията към засушаване при пшеницата, са процесите на поглъщане и асимилиране на неорганичния азот от почвата и усвояване на светлинната енергия и въглерода от СО2 в процеса фотосинтеза. Изясняването на връзката азотен–фотосинтетичен обмен при засушаване при различни генотипи пшеница е от съществено значение за изграждане образа на толерантното към засушаване растение.
По-важни резултати:
Установено е, че сортовете обикновена пшеница Енола (съвременен, носител на гени за ниско стъбло) и Сломер (стародавен, високостъблен), различаващи се по своята азотна ефективност в полски условия, се отличават съществено по своя фотосинтетичен капацитет, ензимни активности и съдържание на осмолити в отговор на азотното хранене в ранни фази от развитието на растенията. Показано е, че последствията от намаленото азотно хранене са свързани с въглеродния метаболизъм (Фиг. 1, 2). Стародавният местен сорт Сломер има по-добър фотосинтетичен капацитет и по-добра асимилация на азота, свидетелство за което е увеличената синтеза на амино-киселини и по-добър растеж в условия на индуциран азотен дефицит. Съвременният сорт Енола се характеризира с преференциално акумулиране на захари при намалено подаване на азот в средата.
Фиг. 1. Съдържание на разтворими захари, амино киселини, азот, и разтворим протеин при дефицит на азот в хранителния разтвор (low N) и в контрола при два сорта пшеница.
Фиг. 2. Активност на нитрат редуктаза (NR), съдържание на нитрати, активност на гликолат оксидаза (GOX), и на глутамин синтетаза (GS) в листа при дефицит на азот в хранителния разтвор (low N) и в контрола при два сорта пшеница.
Установено е, че съвременният нискостъблен сорт Енола запазва по-добър фотосинтетичен капацитет (Фиг. 3) при едновременен дефицит на основните ресурси, вода и азот, в сравнение със стародавния сорт Сломер, независимо от по-високата степен на оксидативен стрес и клетъчно-мембранни увреждания, отчетени при Енола (Фиг. 4, 5).
Фиг. 3. Промени в съдържанието на пигменти и фотосинтетичния капацитет в листа на два сорта пшеница, отглеждани при оптимално (1N) и намалено (0.2N) доставяне на азот и подложени на осмотичен стрес с 25% PEG.
Допускаме, че различията в генетичния фон обуславят различни стратегии за преодоляване на осмотичния стрес самостоятелно или съпътстван от недостиг на азот и че присъствието на гени за ниско стъбло (Rht гени) в съвременните сортове пшеница вероятно има благоприятен ефект в райони с недостиг на основните ресурси – вода и азот.
Фиг. 4. Промени в относителното водно съдържание (RWC) и индекса на увреждане на клетъчните мембрани в листа на два сорта пшеница, отглеждани при оптимално (1N) и намалено (0.2N) доставяне на азот и подложени на осмотичен стрес с 25% PEG.
Фиг. 5. Маркери за окислителен стрес и акумулиране на пролин в листа на два сорта пшеница, отглеждани при оптимално (1N) и намалено (0.2N) доставяне на азот и подложени на осмотичен стрес с 25% PEG.
Установена е взаимовръзка между листната морфо-анатомия, водния статус и стабилността на клетъчните мембрани в листата на пшеницата при силно почвено засушаване. Установено е, че съвременните нискостъблени сортове, носители на Rht гени, се характеризират с по-малка листна площ, по-малък листен периметър, по-ниски стойности на листния дисекционен индекс (DI) – параметър, характеризиращ формата на листа (т.е. имат по-окръглена форма), докато стародавните високостъблени сортове са с по-големи стойности на DI (по-издължена форма на листата). Установено е, че при съвременните сортове, носители на гени за ниско стъбло, по-окръглената форма на листата способства за по-добро запазване на водния баланс и мембранния интегритет в листата при водно-дефицитен стрес. Създаден е и модел, доказващ значението на формата на изпаряващата повърхност за количеството изпарена вода (Фиг. 6). Резултатите от изпълнението на тази задача показват ефекта на листната форма върху транспирацията и допринасят за изясняване на механизмите, чрез които растенията поддържат водните си запаси в периоди на засушаване.
Фиг. 6. Схематично представяне на транспирацията от горния листен епидермис при затворени устица.
(2019-2022) Проект КП-06-Н31/17, финансиран ФНИ-МОН, на тема: „Цялостен геномен скрининг и асоциативно картиране на компонентите на добива и съдържанието на протеин и общ азот в зърното при български сортове обикновена пшеница“, ръководител: проф. д-р Светлана Мишева, участници: доц. д-р Константина Кочева, гл. ас. д-р Таня Кърцева.
Проектът е в съответствие с Европейските и световни усилия за подобряване и устойчиво производство при селскостопанските култури с оглед изхранване на растящата човешка популация. Така също, проектът отговаря на европейските усилия за характеризиране, оценка, запазване и ефективно използване на растителните генетични ресурси.
Основни цели: 1) да се определи молекулярната генетична структура на българския генофонд при пшеницата; 2) да се направи оценка на генетичната вариабилност по отношение на признаци, определящи добива от зърно (компоненти на добива) и качеството на зърното (съдържание на общ протеин в зърното) при обикновената пшеница; 3) да се изясни генетичната архитектура на тези признаци.
По-важни резултати до момента:
При изпълнение на проектните задачи българският генофонд при обикновената пшеница е характеризиран за първи път на молекулярно ниво чрез цялостен геномен скрининг. Изследвани са 179 сорта, от които 128 съвременни нискостъблени и 51 стародавни. С помощта на 25K Infinium iSelect array в българската популация пшеници са идентифицирани 19 019 SNP (Single Nucleotide Polymorphism, единични нуклеотидни полиморфизми) маркера, разпределени неравномерно по дължина на индивидуалните хромозоми и геноми (Фиг. 1). Установени са статистически доказани различия между съвременните и стародавните сортове по отношение на параметри, характеризиращи генетичното разнообразие (Nei’s gene diversity и Polymorphism Information Content, PIC) и неравновесната скаченост на алелите в различни локуси (linkage disequilibrium, LD). Чрез използване на различни модели (Structure and k-mean clustering algorithm) е установена генетичната структура на популацията от български сортове пшеница, като са идентифицирани две субпопулации, съставени предимно от съвременни сортове, и една субпопулация, включваща основно стародавните сортове (Фиг. 2). Пренос на генетичен материал (gene flow) е установен предимно между двете субпопулации от съвременни сортове. Получената информация за генетичното разнообразие на ДНК ниво, популационната структура и разграничаването на стародавните сортове представлява интерес за практиката за създаване на нови сортове пшеница с подобрени характеристи чрез използване потенциала на старата зародишева плазма. Познанието относно информативността на SNP маркерите и оценката на неравновесната алелна скаченост LD e от значение за провеждане на предвиденото в проекта идентифициране и асоциативно картиране на хромозомни райони, определящи количеството и качеството на зърното.
Фиг. 1. Разпределение (А) и честота (В) на идентифицираните SNP маркери в пшеничните хромозоми на 179 съвременни и стародавни сорта обикновена пшеница.
Фиг. 2. Дендрограма, показваща разпределението на българските сортове пшеница в клъстери. Стародавните сортове формират отделен клъстер (CS2) с два под-клъстера (в зелен цвят).
