Биотехнология получения растений–регенерантов земляники садовой ex vitro с использованием хелатов кремния из возобновляемого растительного сырья

Одной из проблем недостаточных объемов возделывания земляники садовой в Новосибирской области является отсутствие промышленного производства высококачественного посадочного материала, от которого напрямую зависит урожайность культуры. Технология клонального микроразмножения может помочь решить проблему получения генетически идентичного оздоровленного посадочного материала высокого качества. Эффективность клонального микроразмножения в значительной степени зависит от оптимизации этапов культивирования. Изучены адаптивные реакции растений–регенерантов земляники садовой (‘Солнечная полянка’, ‘Альфа’) при укоренении и адаптации в условиях ex vitro под действием экологически чистого кремнийсодержащего механокомпозита из возобновляемого растительного сырья. Для стимуляции ризогенеза у микропобегов применяли: полив водным раствором питательной среды Мурасиге–Скуга, содержащим ¼ концентрации стандартных компонентов среды; импульсную обработку водным раствором 30 мг/л индолилуксусной кислоты (течение 4 часов) с последующим поливом раствором ¼ Мурасиге–Скуга; однократный полив раствором ¼ Мурасиге–Скуга с добавлением 0,3, 1,0, 3,0 г/л механокомпозита; опудривание базальной части микропобегов механокомпозитом с последующим поливом раствором ¼ Мурасиге–Скуга. Установлено, что опудривание базальной части микропобегов механокомпозитом наиболее эффективный способ обработки регенерантов в условиях ex vitro. Опудривание механокомпозитом существенно увеличивало частоту ризогенеза (до 95 % против 25-45 % в контроле), стимулировало развитие корневой системы (длина корней увеличивалась относительно контроля в 2,5–4,3 раза, число корней на растение – в 1,2–2,0 раза, сухая масса корней – в 3,0 раза у сорта ‘Альфа’) и надземной системы растений (площадь листовой пластинки увеличивалась в 1,2–2,0 раза, сухая масса побегов – в 2,6–3,7 раза), повышало содержание основных фотосинтетических пигментов в листьях регенерантов (содержание хлорофилла a + b увеличивалось в 1,2 раза, каротиноидов – в 1,2–1,4 раза). Под действием механокомпозита листья регенерантов приобретали признаки ксероморфной организации. Отмечено увеличение плотности устьиц на абаксиальной стороне листа у сорта ‘Альфа’ (в 1,4 раза), интенсивное накопление эпикутикулярных восков на нижней эпидерме листовых пластинок регенерантов двух сортов. Определено, что кремний аккумулируется в наземной части регенерантов земляники садовой. Минимальное содержание кремния было в контроле (2020 мкг/г), под действием механокомпозита содержание кремния увеличивалось (до 3500 мкг/г при поливе и 3200 мкг/г при опудривании механокомпозитом). Разработанная технология позволяет исключить этап укоренения in vitro и сократить общий цикл клонального микроразмножения на 4 недели, обеспечивая высокое качество посадочного материала земляники садовой.

1. Plants in vitro propagation with its applications in food, pharmaceuticals and cosmetic industries; current scenario and future approaches / A. Hasnain, S.A.H. Naqvi, S.I. Ayesha [et al.] // Frontiers in Plant Science. – 2022. – Vol. 13. – P. 1009395. – DOI: 10.3389/fpls.2022.1009395.

2. Hazarika B. Morpho-physiological disorders in in vitro culture of plants // Scientia Horticulturae. – 2006. – Vol. 108 (2). – P. 105–120. – DOI: 10.1016/J.SCIENTA.2006.01.038.

3. Strategies for successful acclimatization and hardening of in vitro regenerated plants: Challenges and innovations in micropropagation techniques / N. Sharma, N. Kumar, J. James [et al.] // Plant Science Today. – 2023. – Vol. 10 (sp2). – P. 90–97. – DOI: 10.14719/pst.2376.

4. Ma J.F. Role of silicon in enhancing the resistance of plants to biotic and abiotic stresses // Soil Science and Plant Nutrition. – 2004. – Vol. 50. – P. 11–18. – DOI: 10.1080/00380768.2004.10408447.

5. Currie H.A., Perry C.C. Silica in plants: biological, biochemical and chemical studies // Annals of Botany. – 2007. – Vol. 100 (7). – P. 1383–1389. – DOI: 10.1093/aob/mcm247.

6. Prado R.dM., Verma K.K., Etesami H. Editorial: New advances of silicon in the soil-plant system // Frontiers in Agronomy. – 2024. – Vol. 6. – P. 1535125. – DOI: 10.3389/fagro.2024.1535125.

7. The role of silicon in plant biology: a paradigm shift in research approach / A. Frew, L.A. Weston, O.L. Reynolds [et al.] // Annals of Botany. – 2018. – Vol. 121. – P. 1265–1273. – DOI: 10.1093/aob/mcy009.

8. Epstein E. Silicon: its manifold roles in plants // Annals of Applied Biology. – 2009. – Vol. 155(2). – P. 155–160. – DOI: 10.1111/j.1744-7348.2009.00343.x.

9. Sarkar M.M., Mathur P., Roy S. Silicon and nano-silicon: new frontiers of biostimulants for plant growth and stress amelioration // Silicon and nano-silicon in environmental stress management and crop quality improvement. – Academic Press. – 2022. – P. 17–36. – DOI: 10.1016/B978-0-323-91225-9.00010-8.

10. Перспективы использования кремниевых препаратов в сельском хозяйстве (обзор научной литературы) / В.В. Матыченков, Е.А. Бочарникова, Г.В. Пироговская [и др.] // Почвоведение и агрохимия. – 2022. – Т. 68, № 1. – C. 219–234. – DOI: 10.47612/0130-8475-2022-1(68)-219-234.

11. Tubana B.S., Babu T., Datnoff L.E. A review of silicon in soils and plants and its role in US agriculture: history and future perspectives // Soil Science. – 2016. – Vol. 181 (9/10). – P. 393–411. – DOI: 10.1097/SS.0000000000000179.

12. Lomovsky O.I., Lomovskiy I.O., Orlov D.V. Mechanochemical solid acid/base reactions for obtaining biologically active preparations and extracting plant materials // Green Chemistry Letters and Reviews. – 2017. – Vol. 10 (4). – P. 171–185. – DOI: 10.1080/17518253.2017.1339832.

13. Патент № 2438344 С1. РФ. Кормовая мука из рисовой лузги и зеленого чая для сельскохозяйственных и непродуктивных животных и способ ее получения / Е.Г. Шаполова, О.И. Ломовский. № 2010137971/13; заявл. 13.09.2010; опубл. 10.01.2012. – 12 с.

14. Scaling of the mechano-chemical process of production of silicon chelates from plant raw materials / E.G. Trofimova, E.M. Podgorbunskikh, T.S. Skripkina [et al.] // Bulgarian Chemical Communications. – 2018. – Vol. 50. – P. 45–48.

15. Murashige T., Skoog F.A. Revised medium for rapid growth and bioassays with tobacco tissue cultures // Physiologia Plantarum. – 1962. – Vol. 15 (13). – P. 473–497.

16. Полевой В.В., Максимов Г.Б. Методы биохимического анализа растений. – Л.: Изд-во ЛГУ, 1978. – 192 с.

17. Ермаков А.И., Арасимович В.В., Ярош Н.П. Методы биохимического исследования растений. – Л.: Агропромиздат, 1987. – 420 с.

18. Определение основных и примесных элементов в силикатных породах методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой после сплавления с LiBo2 / И.В. Николаева, С.В. Палесский, О.С. Чирко [и др.] // Аналитика и контроль. –2012. – Т. 16, № 2. – C. 1–9.

19. Применение ИСП-МС для элементного анализа в различных областях научных исследований / И.В. Николаева, С.В. Палесский, Д.В. Семенова [и др.] // Аналитика Сибири и Дальнего Востока: мат-лы Х Всерос. науч. конф. с междунар. участием. – Барнаул: Изд-во АлтГУ, 2016. – С. 59.

20. Pospisilova J. Effect of air humidity on the development of functional stomatal apparatus // Biologia Plantarum. – 1996. – Vol. 38 (2). – P. 197–204.

21. Acclimatization of micropropagated plants to ex vitro conditions / J. Pospíšilová, I. Tichá, P. Kadleček [et al.] // Biologia Plantarum. – 1999. – Vol. 42 (4). – P. 481–497. – DOI: 10.1023/A:1002688208758.

22. Красинская Т.А., Кухарчик Н.В., Кастрицкая М.С. Адаптационный процесс растений-регенерантов, выращенных в культуре in vitro, в условиях ex vitro и способы его улучшения // Плодоводство. – 2010. – Т. 22, № 1 – С. 309–320.

23. Application of silicon enhanced drought tolerance in Sorghum bicolor / T. Hattori, S. Inanaga, H. Araki [et al.] // Physiologia Plantarum. – 2005. – Vol. 123. – P. 459–466. – DOI: 10.1111/J.1399-3054.2005.00481.X.

24. Li Q.F., Ma C.C., Shang Q.L. Effects of silicon on photosynthesis and antioxidative enzymes of maize under drought stress // Chinese Journal of Applied Ecology. – 2007. – Vol. 18 (3). – P. 531–536.

25. Protective action of silicon on relations and photosynthetic pigments in pepper plants induced to water deficit / A.K.S. Lobato, G.K. Coimbra, M.A.M. Neto [et al.] // Research Journal of Biological Sciences. – 2009. – Vol. 4. – P. 617–623.

26. Al-Mayahi A.M.W. Effect of silicon (Si) application on Phoenix dactylifera L. growth under drought stress induced by polyethylene glycol (PEG) in vitro // American Journal of Plant Sciences. – 2016. – Vol. 7 (13). – P. 1711–1728. – DOI: 10.4236/ajps.2016.713161.

27. Silicon-mediated priming induces acclimation to mild water-deficit stress by altering physio-biochemical attributes in wheat plants / A. Hameed, T. Farooq, A. Hameed [et al.] // Frontiers in Plant Science. – 2021. – Vol. 12. – P. 625541. – DOI: 10.3389/fpls.2021.625541.

28. Morphophysiological characteristics of acclimatized ‘Grande Naine’ banana plants in response to in vitro use of silicon / S.A. Asmar, M. Pasqual, A.G. de Araujo [et al.] // Semina: Ciências Agrárias. – 2013. – Vol. 34. – P. 73–81.

29. Morpho-physiological changes in Billbergia zebrina due to the use of silicates in vitro / A.D. Martins, J.P.R. Martins, L.A. Batista [et al.] // Anais da Academia Brasileira de Ciências. – 2018. – Vol. 90 (4). – P. 3449–3462. – DOI: 10.1590/0001-3765201820170518.

30. Anatomical characteristics of the strawberry seedlings micropropagated using different sources of silicon / F.T. Braga, C.F. Nunes, A.C. Favero [et al.] // Pesquisa Agropecuária Brasileira. – 2009. – Vol. 44. – P. 128–132.

31. Improvement of wheat (Triticum aestivum) drought tolerance by seed priming with silicon / M. Ahmed, U. Qadeer, Z.I. Ahmed [et al.] // Archives of Agronomy and Soil Science. – 2016. – Vol. 62. – P. 299–315. – DOI: 10.1080/03650340.2015.1048235.

32. Genome wide association studies and candidate gene mining for understanding the genetic basis of straw silica content in a set of Oryza nivara (Sharma et Shastry) accessions / R.S.R. Gowda, S. Sharma, R.S. Gill [et al.] // Frontiers in Plant Science. – 2023. – Vol. 14. – P. 1174266. – DOI: 10.3389/fpls.2023.1174266.

33. Ma J.F., Yamaji N. Silicon uptake and accumulation in higher plants // Trends in Plant Science. – 2006. – Vol. 11 (8). – P. 392–397. – DOI: 10.1016/j.tplants.2006.06.007.

34. Hu J., Li Y., Jeong B.R. Putative silicon transporters and effect of temperature stresses and silicon supplementation on their expressions and tissue silicon content in Poinsettia // Plants. – 2020. – Vol. 9 (5). – P. 569. – DOI: 10.3390/plants9050569.

35. Zhu Y., Gong H. Beneficial effects of silicon on salt and drought tolerance in plants // Agronomy for Sustainable Development. – 2014. – Vol. 34. – P. 455–472. – DOI: 10.1007/s13593-013-0194-1.

36. Prabagar S., Hodson M.J., Evans D.E. Silicon amelioration of aluminium toxicity and cell death in suspension cultures of Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.) // Environmental and Experimental Botany. – 2011. – Vol. 70. – P. 266–276. – DOI: 10.1016/j.envexpbot.2010.10.001.

37. Mahbod S., Mohamed M.H., Parisa A. Application of silicon in plant tissue culture // In Vitro Cellular and Developmental Biology – Plant. – 2016. – Vol. 52. – Р. 226–232. – DOI: 10.1007/s11627-016-9757-6.

38. Importance of silicon and mechanisms of biosilica formation in plants / M. Sahebi, M.M. Hanafi, A.S.N. Akmar [et al.] // BioMed Research International. – 2015. – Vol. 2015. – P. 1–16. – DOI: 10.1155/2015/396010.