zhrosЗерновое хозяйство РоссииGrain Economy of Russia2079-87252079-8733Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Аграрный научный центр "Донской»10.31367/2079-8725-2023-89-6-43-51zhros-2498Research ArticleСЕЛЕКЦИЯ И СЕМЕНОВОДСТВО СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАСТЕНИЙPLANT BREEDING AND SEED PRODUCTION OF AGRICULTURAL CROPSY(II) и NPQ – перспективные показатели фотосинтеза для прогнозирования засухоустойчивости ячменяPromising photosynthetic parameters Y(II) and NPQ for predicting barley drought tolerancehttps://orcid.org/0009-0003-4654-2999НемцоваЮ. А.NemtsovaYu. A.

лаборант

кафедра биофизики

603022

пр-т Гагарина, д. 23

Нижегородская обл

Нижний Новгород

laboratory assistant

department of biophysics

603022

Gagarin Ave., 23

Nizhny Novgorod region

Nizhny Novgorod

julnemtcova@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9854-3457КузнецоваД. В.KuznetsovaD. V.

младший научный сотрудник

кафедра биофизики

603022

пр-т Гагарина, д. 23

Нижегородская обл

Нижний Новгород

junior researcher

department of biophysics

603022

Gagarin Ave., 23

Nizhny Novgorod region

Nizhny Novgorod

kuznetsova.dar0@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-6069-0400ГринбергМ. А.GrinbergM. A.

младший научный сотрудник

лаборатория радиобиологии

603022

пр-т Гагарина, д. 23

Нижегородская обл

Нижний Новгород

junior researcher

laboratory for radiobiology

603022

Gagarin Ave., 23

Nizhny Novgorod region

Nizhny Novgorod

mag1355@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3726-5577ВоденеевВ. А.VodeneevV. A.

доктор биологических наук, доцент, заведующий кафедрой

кафедра биофизики

603022

пр-т Гагарина, д. 23

Нижегородская обл

Нижний Новгород

Doctor of Biological Sciences, docent, head of the department

department of biophysics

Gagarin Ave., 23

Nizhny Novgorod region

Nizhny Novgorod

v.vodeneev@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6570-4303ДонцоваА. А.DontsovaA. A.

кандидат сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник

отдел селекции и семеноводства ячменя

347740

ул. Научный городок, д. 3

Ростовская обл.

Зерноград

Candidate of Biological Sciences, leading researcher

department of barley breeding and seed production

347740

Nauchny Gorodok, 3

Rostov region

Zernograd

doncova601@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9253-3864ДонцовД. П.DontsovD. P.

кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник

отдел селекции и семеноводства ячменя

347740

ул. Научный городок, д. 3

Ростовская обл.

Зерноград

Candidate of Biological Sciences, senior researcher

department of barley breeding and seed production

347740

Nauchny Gorodok, 3

Rostov region

Zernograd

https://orcid.org/0000-0002-6413-9699БондаренкоВ. С.BondarenkoV. S.

кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник

отдел радиационных и генетических технологий в растениеводстве

249035

Киевское шоссе, д. 1, корп. 1

Калужская область

г. о. Обнинск

г. Обнинск

Candidate of Biological Sciences, leading researcher

department of radiation and genetic technologies in crop production

249035

Kyiv highway, 1, bldg. 1

Kaluga region

Obninsk

bvs79@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2824-6232ВолковаП. Ю.VolkovaP. Yu.

доктор биологических наук, независимый исследователь

2440

ул. Бюргстраат, д. 46-3

провинция Антрверпен

Гел

Doctor of Biological Sciences, Independent researcher

2440

Burgstraat St., 46-3

province of Antwerp

Gel

volkova.obninsk@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-7937-3824БондаренкоЕ. В.BondarenkoE. V.

кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник

отдел радиационных и генетических технологий в растениеводстве

249035

Киевское шоссе, д. 1, корп. 1

Калужская область

г. о. Обнинск

г. Обнинск

Candidate of Biological Sciences, leading researcher

department of radiation and genetic technologies in crop production

249035

Kyiv highway, 1, bldg. 1

Kaluga region

Obninsk

bev_1408@mail.ruФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н. И. Лобачевского»РоссияFSAEI HE “National Research Nizhny Novgorod State University named after N.I. Lobachevsky”Russian FederationФГБНУ «Аграрный научный центр «Донской»РоссияFSBSI Agricultural Research Center “Donskoy”Russian FederationФГБУ «Всероссийский научно-исследовательский институт радиологии и агроэкологии Национального исследовательского центра «Курчатовский институт»РоссияFSBI “Russian Institute of Radiology and Agroecology of National Research Centre “Kurchatov Institute”Russian Federation202319122023064351Copyright © Немцова Ю.А., Кузнецова Д.В., Гринберг М.А., Воденеев В.А., Донцова А.А., Донцов Д.П., Бондаренко В.С., Волкова П.Ю., Бондаренко Е.В., 20232023Немцова Ю.А., Кузнецова Д.В., Гринберг М.А., Воденеев В.А., Донцова А.А., Донцов Д.П., Бондаренко В.С., Волкова П.Ю., Бондаренко Е.В.Nemtsova Y.A., Kuznetsova D.V., Grinberg M.A., Vodeneev V.A., Dontsova A.A., Dontsov D.P., Bondarenko V.S., Volkova P.Y., Bondarenko E.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.zhros.online/jour/article/view/2498

   Целью настоящей работы являлся поиск фотосинтетических показателей-предикторов устойчивости к засухе у растений ячменя, определяемых на ранних стадиях развития, и верификация полученных результатов в полевых условиях.

   Исследования проводили на ячмене сортов Леон, Ратник и Фокс 1, используемых в мутационной селекции для создания засухоустойчивых генотипов. Засуха моделировалась прекращением полива, устойчивость растений оценивалась по изменениям показателей флуоресценции хлорофилла (Fv /Fm, Y(II), NPQ) и морфометрических показателей (длина листьев, сырая и сухая масса) по сравнению с контрольной группой с нормальным водообеспечением. В бесстрессовых условиях растения сорта Леон демонстрировали статистически значимо меньшую эффективность фотосинтеза по параметрам Y(II) и Fv /Fm (0,535 ± 0,005 и 0,776 ± 0,004 соответственно) в сравнении с другими сортами (0,577 ± 0,005 и 0,788 ± 0,001 – для сорта Фокс 1; 0,574 ± 0,004 и 0,787 ± 0,001 – для сорта Ратник). При моделировании засухи отмечено снижение всех морфометрических показателей относительно контроля для всех сортов с наибольшей степенью угнетения для сорта Ратник (70,16 ± 3,88 %; 8,09 ± 0,73 %; 68,50 ± 4,42 % для длины листьев, сырой и сухой массы соответственно) и наименьшей – для сорта Леон (88,06 ± 7,83 %; 26,51 ± 7,11 %; 79,32 ± 11,17 % соответственно). Снижение интенсивности фотосинтеза проявлялось в подавлении Fv /Fm и Y(II) и увеличении NPQ с наиболее ранними изменениями параметров Y(II) и NPQ у Фокс 1 и Ратник (на 4-й и 5-й день соответственно) по сравнению с Леон (на 7-й день). В полевых условиях оценивалась урожайность сортов и ее зависимость от количества осадков. Выявлена положительная корреляция между разностью урожайности двух контрастных по ответу на засуху сортов Леон и Ратник и количеством осадков в период активной вегетации в 2014–2017 и 2022 гг. (R2-Пирсона = 0,77, р < 0,05). Наиболее чувствительными параметрами фотосинтеза, по которым можно прогнозировать устойчивость к недостатку влаги, представляются Y(II) и NPQ.

   The purpose of the current work was to identify photosynthetic parameters that are predictors of barley drought tolerance, determined at early stages of development, and to verify the results obtained in field conditions.   The study was carried out with the barley varieties ‘Leon’, ‘Ratnik’ and ‘Foks 1’, used in mutation breeding to develop drought-resistant genotypes. Drought was modeled by stopping irrigation. Plant resistance was estimated by changes in chlorophyll fluorescence (Fv /Fm, Y(II), NPQ) and morphometric parameters (leaf length, wet and dry weight) compared to the control group with normal water supply. Under stress-free conditions, the variety ‘Leon’ demonstrated a statistically significantly lower efficiency of photosynthesis in terms of Y(II) and Fv /Fm (0.535 ± 0.005 and 0.776 ± 0.004, respectively) in comparison with other varieties (0.577 ± 0.005 and 0.788 ± 0.001 for the variety ‘Foks 1’; 0.574 ± 0.004 and 0.787 ± 0.001 for the variety ‘Ratnik’). When modeling drought, there has been established a decrease in all morphometric indicators for all varieties relative to the control, with the highest degree of inhibition for the variety ‘Ratnik’ (70.16 ± 3.88 %; 8.09 ± 0.73 %; 68.50 ± 4.42 % for leaf length, wet and dry weight, respectively) and with the lowest degree for the variety ‘Leon’ (88.06 ± 7.83 %; 26.51 ± 7.11 %; 79.32 ± 11.17 %, respectively). A decrease in the photosynthesis intensity was manifested in the suppression of Fv /Fm and Y(II) and an increase in NPQ, with the earliest changes in the parameters Y(II) and NPQ in the varieties ‘Foks 1’ and ‘Ratnik’ (on the 4th and 5th day, respectively), compared to the variety ‘Leon’ (on the 7th day). In the field conditions, there has been estimated productivity of the varieties and its dependence on precipitation. A positive correlation between the difference in yield of two varieties ‘Leon’ and ‘Ratnik’, contrasting in their response to drought, and the amount of precipitation during the active vegetation period in 2014–2017 and 2022 (Pearson’s R2 = 0.77, p < 0.05) has been identified. The most sensitive parameters of photosynthesis, which can be used to predict resistance to moisture deficiency, were Y(II) and NPQ.

фенотипированиефотосинтезурожайностьзасухаHordeum vulgareперспективные линии ячменяphenotypingphotosynthesisproductivitydroughtHordeum vulgarepromising barley linesРезультаты получены при финансовой поддержке Российской Федерации в лице Министерства науки и высшего образования РФ (Соглашение № 075-15- 2021-1068 от 28. 09. 2021)results received with financial support from the Russian Federation represented by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (Agreement No. 075-15-2021-1068 from 09/28/2021)ReferencesДоспехов Б. А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований). 5-е изд., перераб. и доп. М.: Альянс, 2014. 351 с.Dospekhov B. A. Metodika polevogo opyta (s osnovami statisticheskoi obrabotki rezul'tatov issledovanii) [Methodology of a field trial (with the basics of statistical processing of the study results)]. 5-e izd., pererab. i dop. M.: Al'yans, 2014. 351 s.Методика Государственного сортоиспытания сельскохозяйственных культур. Москва: ООО Группа компаний «Море», 2019. 384 с.Metodika Gosudarstvennogo sortoispytaniya sel'skokhozyaistvennykh kul'tur [Methodology of the State Variety Testing of agricultural crops]. Moskva: OOO Gruppa kompanii «More», 2019. 384 s.Расписание погоды [Электронный ресурс]. URL: https://rp5.ru/Архив_погоды_в_Зернограде (дата обращения 20. 07. 2023).Raspisanie pogody [Weather schedule] [Elektronnyi resurs]. URL: https://rp5.ru/Архив_погоды_в_Зернограде (data obrashcheniya: 20. 07. 2023).Bashir N., Athar H.-u.-R., Kalaji H. M., Wróbel J., Mahmood S., Zafar Z. U., Ashraf M. Is Photoprotection of PSII One of the Key Mechanisms for Drought Tolerance in Maize? // International Journal of Molecular Sciences. 2021. Vol. 22, Article number: 13490. DOI: 10.3390/ijms222413490Bashir N., Athar H.-u.-R., Kalaji H. M., Wróbel, J., Mahmood S., Zafar Z. U., Ashraf M. Is Photoprotection of PSII One of the Key Mechanisms for Drought Tolerance in Maize? // International Journal of Molecular Sciences. 2021. Vol. 22, Article number: 13490. DOI: 10.3390/ijms222413490Choudhury F. K., Rivero R. M., Blumwald E., Mittler R. Reactive oxygen species, abiotic stress and stress combination // The Plant Journal. 2017. Vol. 90, № 5. P. 856–867. DOI: 10.1111/tpj.13299Choudhury F. K., Rivero R. M., Blumwald E., Mittler R. Reactive oxygen species, abiotic stress and stress combination // The Plant Journal. 2017. Vol. 90, № 5. P. 856–867. DOI: 10.1111/tpj.13299Dalal V. K. Modulation of photosynthesis and other proteins during water-stress // Molecular Biology Reports. 2021. Vol. 48, № 4. P. 3681–3693. DOI: 10.1007/s11033-021-06329-6Dalal V. K. Modulation of photosynthesis and other proteins during water-stress // Molecular Biology Reports. 2021. Vol. 48, № 4. P. 3681–3693. DOI: 10.1007/s11033-021-06329-6Fahad S., Bajwa A. A., Nazir U., Anjum S. A., Farooq A., Zohaib A., Sadia S., Nasim W., Adkins S., Saud S., Ihsan M. Z., Alharby H., Wu C., Wang D., Huang J. Crop Production under Drought and Heat Stress: Plant Responses and Management Options // Frontiers in Plant Science. 2017. Vol. 8, Article number: 1147. DOI: 10.3389/fpls.2017.01147Fahad S., Bajwa A. A., Nazir U., Anjum S. A., Farooq A., Zohaib A., Sadia S., Nasim W., Adkins S., Saud S., Ihsan M. Z., Alharby H., Wu C., Wang D., Huang J. Crop Production under Drought and Heat Stress: Plant Responses and Management Options // Frontiers in Plant Science. 2017. Vol. 8, Article number: 1147. DOI: 10.3389/fpls.2017.01147Maxwell K., Johnson G. N. Chlorophyll fluorescence-a practical guide // Journal of Experimental Botany. 2000. Vol. 51. P. 659–668. DOI: 10.1093/jexbot/51.345.659Maxwell K., Johnson G. N. Chlorophyll fluorescence-a practical guide // Journal of Experimental Botany. 2000. Vol. 51. P. 659–668. DOI: 10.1093/jexbot/51.345.659Nowicka B., Ciura J., Szymańska R., Kruk J. Improving photosynthesis, plant productivity and abiotic stress tolerance – current trends and future perspectives // Journal of Plant Physiology. 2018. Vol. 231, P. 415–433. DOI: 10.1016/j.jplph.2018.10.022Nowicka B., Ciura J., Szymańska R., Kruk J. Improving photosynthesis, plant productivity and abiotic stress tolerance – current trends and future perspectives // Journal of Plant Physiology. 2018. Vol. 231. P. 415–433. DOI: 10.1016/j.jplph.2018.10.022Parthasarathy A., Savka M.A., Hudson A.O. The Synthesis and Role of β-Alanine in Plants // Frontiers in Plant Science. 2019. Vol. 10, Article number: 921. DOI: 10.3389/fpls.2019.00921Parthasarathy A., Savka M.A., Hudson A.O. The Synthesis and Role of β-Alanine in Plants // Frontiers in Plant Science. 2019. Vol. 10, Article number: 921. DOI: 10.3389/fpls.2019.00921Pishenin I., Gorbatova I., Kazakova E., Podobed M., Mitsenyk A., Shesterikova E., Dontsova A., Dontsov D., Volkova P. Free Amino Acids and Methylglyoxal as Players in the Radiation Hormesis Effect after Low-Dose γ-Irradiation of Barley Seeds // Agriculture. 2021. Vol. 11, Article number: 918. DOI: 10.3390/agriculture11100918Pishenin I., Gorbatova I., Kazakova E., Podobed M., Mitsenyk A., Shesterikova E., Dontsova A., Dontsov D., Volkova P. Free Amino Acids and Methylglyoxal as Players in the Radiation Hormesis Effect after Low-Dose γ-Irradiation of Barley Seeds // Agriculture. 2021. Vol. 11, Article number: 918. DOI: 10.3390/agriculture11100918Sun D., Robbins K., Morales N., Shu Q., Cen H. Advances in optical phenotyping of cereal crops // Trends in Plant Science. 2021. Vol. 27. P. 191–208. DOI: 10.1016/j.tplants.2021.07.015Sun D., Robbins K., Morales N., Shu Q., Cen H. Advances in optical phenotyping of cereal crops // Trends in Plant Science. 2021. Vol. 27. P. 191–208. DOI: 10.1016/j.tplants.2021.07.015Wang W. S., Wang C., Pan D. Y., Zhang Y. K., Luo B., Ji J. W. Effects of drought stress on photosynthesis and chlorophyll fluorescence images of soybean (Glycine max) seedlings // International Journal of Agricultural and Biological Engineering. 2018. Vol. 11, № 2. P. 196–201. DOI: 10.25165/j.ijabe.20181102.3390Wang W. S., Wang C., Pan D. Y., Zhang Y. K., Luo B., Ji J. W. Effects of drought stress on photosynthesis and chlorophyll fluorescence images of soybean (Glycine max) seedlings // International Journal of Agricultural and Biological Engineering. 2018. Vol. 11, № 2. P. 196–201. DOI: 10.25165/j.ijabe.20181102.3390

The authors declare that there are no conflicts of interest present.