Влияние факторов космического полета на морфобиологические особенности различных генотипов гороха

В научной работе представлены результаты наземного морфобиологического исследования образцов гороха второго послеполетного поколения 2016 года. Изучено влияние факторов космического полета на биологические образцы, экспонированные при космическом полете на российском научно-исследовательском спутнике Фотон-М № 4, запущенного на орбиту Земли с космодрома «Байконур» 19 июля 2014 года.

Ключевые слова: факторы космического полета, генетика, селекция, горох, мутагенез, сорта сельскохозяйственных культур

При создании новых форм культурных растений с комплексом хозяйственно-значимых признаков в процессе селекции селекционер сталкивается с ограниченностью возможностей внутривидового рекамбиногенеза. Для расширения генотипической вариабельности разрабатываются новые методы (индуцирование эпигенетической экспрессии «спящих» генов, межвидовая гибридизация в сочетании с индуцированным мутагенезом, трансгеноз и др.). Наш опыт показывает, что электромагнитное или радиационное облучение является наиболее эффективным в создании нового исходного материала различных сельскохозяйственных культур. В 1983 году при облучении сухих семян сорта гороха Куйбышевский гамма-лучами в дозе 12 кило рентген была выделена линия БМ-2–2-239/1 с новым признаком роста стебля. Растения этой линии характеризовались компактным верхушечным расположением бобов, такая конструкция обеспечивала дружное их созревание, что облегчало механизированную уборку. Впоследствии эта линия послужила источником создания целой серии сортов гороха «Флагман», характеризующихся высокой урожайностью и качеством зерна, а самое главное пригодностью к уборке прямым комбайнированием. Однако до сих пор многие проблемы не решены до конца. Условия космического полёта (минимальное влияние магнитного поля Земли, отсутствие гравитации, ионизирующее и электромагнитное космическое излучение) теоретически могут повлиять на процессы экспрессии генов и рекомбиногенеза, что может расширить веретено генотипической вариабельности и получить новые хозяйственно значимые генетические конструкции. Таким образом, основная задача, поставленная нами в эксперименте — изучить влияние факторов космического полета на морфобиологические, генетические признаки и свойства, а также характер их наследования у различных сельскохозяйственных культур с целью дальнейшего создания нового исходного материала, увеличения биоразнообразия культур и последующего создания перспективных сортов, адаптированных к различным агроэкологическим условиям Российской Федерации.

Материалы иметоды. Полет российского научно-исследовательского спутника Фотон-М № 4, запущенного на орбиту Земли с космодрома «Байконур» 19 июля 2014 года, выполнялся в рамках научной программы Совета Российской академии наук по космосу и Федерального космического агентства России. Аппарат был запущен в космос для проведения экспериментов в области биологии, физиологии, космической технологии и биотехнологии в условиях микрогравитации. На борту биокапсулы находились гекконы, мухи-дрозофилы, яйца шелкопряда, грибы, а также семена хозяйственно значимых сельскохозяйственных культур (яровая мягкая и твёрдая пшеница, горох, картофель). Для проведения космических экспериментов учёными ФГБНУ «Самарский НИИСХ» было подготовлено 30 биообразцов семян в пластиковых пакетах по 50 грамм в каждом. Контрольная группа биообразцов находилась на хранении в лабораториях института.

После экспонирования в космосе семена были доставлены для лабораторного и полевого изучения в лаборатории ФГБНУ «Самарский НИИСХ». В научном эксперименте «Генетика — горох» участвовали сорта, линии и гибриды F2 гороха разных морфотипов. Изучаемым материалом служили сорта Куйбышевский, Флагман 10, Спартак, линии Б-2860/19УЛюпН, УГН, Б-1818ЛДетН, Б-3612/18УД и гибридные популяции Б-3995, Б-3933. Схема опыта предусматривала три варианта: 1. контроль (семена хранившиеся в наземных условиях); 2. вариант «ГИПО» (семена, находившиеся во время полета в гипомагнитном модуле); 3. вариант «НЭ» (семена, находившиеся во время полета в обычном модуле). Посев экспериментальных семян проводили в тепличном комплексе Самарского НИИСХ, ручными сеялками. Площадь делянки 1,25м2, повторность однократная. В течение вегетации проводились фенологические наблюдения. Перед уборкой с каждой делянки были отобраны растения (25 шт.) для определения структуры урожая по признакам: число бобов, число семян и масса семян с растения. В гибридных популяциях проводился разбор растений по типу листа. В данной научной работе представлены результаты наземного морфобиологического исследования образцов гороха второго послеполетного поколения.

Результаты. Фенологические наблюдения за развитием гороха не выявили существенных различий у сортов и линий второй генерации по вариантам опыта (табл. 1).

Анализ продуктивности гороха по массе зерна, числу бобов и семян с растения не выявил достоверных различий по вариантам опыта (табл. 2). Различий не выявлено и по высоте растения. Однако по сорту Куйбышевский наблюдается тенденция к снижению длины растения, массы семян, количества бобов и семян с растения в вариантах опыта по сравнению с контролем.

Таблица 1

Отсутствие значимых морфобиологических изменений в исследуемых образцах гороха вероятно связано с использованием в качестве объекта изучения сухих семян находящихся в состоянии глубокого биологического покоя. По литературным данным, максимальное воздействие мутагенных факторов отмечается, как правило, на активно развивающихся точках роста растений. Таким образом, при дальнейшем изучении факторов космического полета в качестве объекта исследования нами предлагается использование культуры клеточной (каллусной) ткани различных генотипов гороха. В 2016 году в лаборатории биотехнологии сельскохозяйственных растений была получена клеточная культура invitro различных генотипов гороха. Начаты экспериментальные работы по определению оптимальных режимов культивирования растительной клеточной культуры в условиях космического полета. Совместно с учеными Самарского национального исследовательского университета имени академика С. П. Королева ведется разработка опытного образца биоинкубатора для культивирования клеточной культуры в условиях космоса.

Таблица 2

Продуктивность сортов илиний гороха генерации F2. Тепличный комплекс, 2016 г.

Выводы. Таким образом, результаты двухлетних исследований различных генотипов гороха показал, что среда, в которой находились семена в состоянии покоя во время космического полета, не повлияла на выраженность морфологических и биологических признаков растений, выросших из этих семян. Считаем целесообразным при продолжении изучения влияния факторов космического полета на растительный материал в качестве объекта исследований использовать растительную клеточную культуру в виде активной каллусной ткани.