Для выведения новых сортов сельскохозяйственных растений с желаемыми хозяйственно-значимыми признаками необходимо применение комплекса исследований, обеспечивающего высокую надёжность отбора линий растений, направляемых на последующие стадии селекционных испытаний. Помимо этого, в настоящее время одним ключевых аспектов в развитии способов отбора перспективных линий является его ускорение за счёт уменьшения длительности цикла испытаний. Для достижения этой цели широко используются методы генотипирования, а также фенотипирования, позволяющего получить информацию о состоянии исследуемых растений в раннем возрасте и найти связь между фенотипическими параметрами и хозяйственно-значимыми признаками в более позднем возрасте. Среди методов фенотипирования особую роль занимают оптические методы. Благодаря высокой скорости получения данных и неинвазивности они позволяют проводить массовые исследования большого количества вариантов растений, не выводя их из дальнейшего селекционного процесса.

Целью данной работы был поиск показателей флуоресценции хлорофилла, обладающих потенциалом для предсказания накопления биомассы и устойчивости растений пшеницы к засухе в более позднем возрасте.

Объектом исследования выступали проростки пшеницы мягкой (Triticum aestivum L.) яровой 11 сортов. Культивирование растений осуществлялось в контролируемых условиях вегетационной комнаты (температура 24ºС, относительная влажность воздуха 50%, режим освещения свет/темнота 16/8 ч). В двухнедельном возрасте у исследуемых растений регистрировались показатели флуоресценции хлорофилла с использованием метода РАМ-флуориметрии, для чего использовалась система для флуоресцентной визуализации Open FluorCam FC 800-O/1010-S, Photon Systems Instruments, Чехия). После этого у опытной группы прекращался полив; при этом каждые пять дней (на 5, 10 и 15 день засухи) у опытной и контрольной групп регистрировались показатели флуоресценции хлорофилла и морфометрические показатели. Для оценки активности фотосинтеза анализировались количественные параметры временных динамик квантового выхода фотохимии фотосистемы II (ΦPSII) и нефотохимического тушения флуоресценции (NPQ); среди морфометрических параметров оценивались сырой и сухой вес, а также длина корней и побегов.

Для того чтобы оценить связь флуоресцентных показателей молодых проростков с накоплением биомассы и засухоустойчивостью растений в более позднем возрасте проводился корреляционный анализ. Для этого вычислялся коэффициент корреляции Пирсона значений показателей флуоресценции хлорофилла двухнедельных проростков пшеницы с величиной сухого веса растений в возрасте 30 дней (для связи с накоплением биомассы) и с величиной остаточного сухого веса 30-дневных растений (для связи с засухоустойчивостью). Остаточный сухой вес как мера засухоустойчивости вычислялся как отношение сухого веса растений, подвергнутых засухе, к сухому весу контрольных растений.

Была показана статистически значимая корреляция (p < 0,05) эффективного (r = 0.74) и темнового (r = 0,69) квантового выхода фотосистемы II (ΦPSIIef и ΦPSIId) и времени полувыхода на ΦPSIIef после включения актиничного света (t1/2(ΦPSIIef)) (r = –0,65) у двухнедельных проростков пшеницы с величиной сухого веса растений пшеницы в возрасте 30 дней, что говорит о достаточно высоком предсказательном потенциале этих параметров при прогнозировании накопления биомассы пшеницы.

В случае исследования анализируемых флуоресцентных параметров как предикторов засухоустойчивости пшеницы в качестве перспективного был отмечен только темновой уровень квантового выхода фотосистемы II ΦPSIId (r = –0,63, p < 0,05). Стоит отметить, что этот параметр коррелировал как с накоплением биомассы пшеницы, так и с устойчивостью к засухе, однако зависимости были разнонаправлены.

Использование выявленных предикторов признаков пшеницы может служить инструментом для повышения эффективности и ускорения селекционного процесса. За счёт неинвазивности и высокой скорости анализа применяемый метод может дополнять другие методы исследования без исключения перспективных линий из следующих стадий испытаний.



Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России проекта «Хлеба России» по соглашению № 075-15-2021-1066 от 28.09.2021 г.

Breeding new varieties of agricultural plants with the desired economically significant traits requires the use of a complex of studies that ensures high reliability in the selection of plant lines sent to the subsequent stages of selection tests. In addition, at present, one of the key aspects in the development of methods for selecting promising lines is its acceleration by reducing the duration of the test cycle. To achieve this goal, genotyping methods are widely used, as well as phenotyping, which makes it possible to obtain information about the state of the studied plants at an early age and to find a relationship between phenotypic parameters and economically significant traits at a later age. Optical methods occupy a special role among phenotyping methods. Due to the high speed of data acquisition and non-invasiveness, they allow massive research of a large number of plant variants without removing them from the further selection process.

The aim of this work was to search for parameters of chlorophyll fluorescence that have the potential to predict the accumulation of biomass and tolerance to drought in wheat plants at a later age.

The objects of the study were seedlings of common spring wheat (Triticum aestivum L.) of 11 varieties. Cultivation of plants was carried out under controlled conditions of the growing room (temperature 24ºС, relative humidity 50%, lighting mode light/dark 16/8 h). At the age of two weeks, chlorophyll fluorescence parameters were recorded in the studied plants using the PAM fluorometry method, for which an Open FluorCam FC 800-O/1010-S fluorescent imaging system, Photon Systems Instruments, Czech Republic, was used. After that, the watering of the experimental group was stopped; then, every five days (on the 5th, 10th, and 15th days of drought), chlorophyll fluorescence and morphometric parameters were recorded in the experimental and control groups. To assess the activity of photosynthesis, we analyzed the quantitative parameters of the time dynamics of the quantum yield of photosystem II photochemistry (ΦPSII) and non-photochemical quenching of fluorescence (NPQ); among the morphometric parameters, fresh and dry weight, as well as the length of roots and shoots were evaluated.

To assess the relationship between the fluorescent parameters of young seedlings and the accumulation of biomass and drought tolerance of plants at a later age, a correlation analysis was carried out. For this, the Pearson correlation coefficient of the values of the chlorophyll fluorescence parameters of two-week-old wheat seedlings was calculated with the value of the dry weight of plants at the age of 30 days (for connection with the accumulation of biomass) and with the value of the residual dry weight of 30-day-old plants (for connection with drought tolerance). Residual dry weight as a measure of drought tolerance was calculated as the ratio of the dry weight of drought-exposed plants to the dry weight of control plants.

A statistically significant correlation (p < 0.05) was shown between the effective (r = 0.74) and dark (r = 0.69) quantum yields of photosystem II (ΦPSIIef and ΦPSIId) and half-yield time per ΦPSIIef after turning on the actinic light (t1/2( ΦPSIIef)) (r = –0.65) in two-week-old wheat seedlings with the dry weight of wheat plants at the age of 30 days, which indicates a rather high predictive potential of these parameters when predicting the accumulation of wheat biomass.

In the case of studying the analyzed fluorescent parameters as predictors of wheat drought tolerance, only the dark level of the quantum yield of photosystem II ΦPSIId (r = –0.63, p < 0.05) was noted as promising. It should be noted that this parameter correlated both with the accumulation of biomass and with drought tolerance in wheat; however, the dependences were oppositely directed.

The use of the identified predictors of wheat traits can serve as a tool to increase the efficiency and speed up the breeding process. Due to the non-invasiveness and high speed of analysis, the applied method can complement other research methods without excluding promising lines from the next stages of testing.



This work was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation under agreement № 075-15-2021-1066 at 28.09.2021.