Способ прогнозирования продуктивности пшеницы на основании показателей флуоресценции хлорофилла Российский патент 2023 года по МПК A01G7/00 A01G22/20 

Настоящее изобретение относится к области селекции растений, в частности к способу прогнозирования продуктивности пшеницы на основании показателей флуоресценции хлорофилла на ранних этапах ее развития. Способ может быть использован для ускоренного отбора высокопродуктивных растений пшеницы в лабораторных условиях для их дальнейшего использования в селекционном процессе.

Продуктивность сельскохозяйственных растений, наряду с их устойчивостью к стрессовым условиям, является ключевым фактором, от которого зависит выход урожая. Так показано, что величина накопленной биомассы, которая отражает фотосинтетическую продуктивность, коррелирует с урожайностью пшеницы (Okuyama et al., 2004; White, Wilson, 2006). При этом выведение новых высокопродуктивных сортов – длительный процесс. Для ускорения отбора и дальнейшего использования перспективных линий растений используются методы генотипирования и фенотипирования. При этом целесообразно применять неинвазивные методы оценки, которые позволяют сохранять растительный материал и не выводить его из селекционного процесса, что значительно сокращает временные и материальные затраты. Среди таких методов наиболее информативными являются те, которые позволяют получить информацию не только о структурно-морфологических особенностях растения, но и об активности физиологических процессов. Ключевым процессом для накопления биомассы и продуктивности растений является фотосинтез, оценка которого может производиться с помощью регистрации высокочувствительного параметра – флуоресценции хлорофилла. Регистрация флуоресценции хлорофилла – это быстрый неинвазивный оптический метод, который можно многократно применять во время роста растений и который хорошо подходит для высокопроизводительного фенотипирования (Song et al., 2021). Для этого широко используется регистрация импульсно-модулированной флуоресценции хлорофилла методом ПАМ-флуориметрии (Maxwell, Johnson, 2000; Baker, 2008; Murchie, Lawson, 2013; Kalaji et al., 2018). В соответствии с данным методом, у адаптированных к темноте растений определяется темновой уровень флуоресценции хлорофилла (F₀) с использованием импульсов слабого измерительного света, интенсивность которого позволяет всем реакционным центрам фотосистемы II (ФСII) оставаться открытыми. Затем подаётся насыщающая вспышка света высокой интенсивности, приводящая к восстановлению всех реакционных центров и блокированию фотохимических реакций, и регистрируется максимальный уровень флуоресценции (F_m). При подаче последующих вспышек регистрируется параметр F_m', а также текущий уровень флуоресценции при действии актиничного света (F). Такой режим освещения позволяет определить базовые параметры световой стадии фотосинтеза, на основе которых рассчитываются основные коэффициенты, характеризующие работу электрон-транспортной цепи хлоропластов, в том числе квантовый выход фотохимических реакций фотосистемы II (Φ_PSII): Φ_PSII = (F_m′ − F)/F_m′) (Maxwell, Johnson, 2000). Φ_PSII отражает скорость нециклического потока электронов и показывает чёткий ответ на изменение режима освещения. Протокол измерения, включающий в себя включение/выключение актиничного света, позволяет определить характерные точки световых кривых Φ_PSII, характеризующие скорость и эффективность фотосинтетических реакций и коррелирующие с накоплением биомассы и продуктивностью. Такими характерными точками могут выступать: максимальный квантовый выход фотохимии ФСII, отражающий количество функционирующих фотосистем (F_v/F_m = (F_m – F₀)/F_m), эффективный квантовый выход фотореакций ФСII в адаптированном к актиничному свету состоянии (Φ_PSIIef), стационарный уровень Φ_PSII после выключения актиничного света (Φ_PSIId), характерные времена полувыхода Φ_PSII на стационарный уровень после включения (t_1/2(Φ_PSIIef)) и выключения (t_1/2(Φ_PSIId)) актиничного света и др.

У растения, адаптированного к темноте, при включении актиничного света происходит резкое падение квантового выхода ФСII, сменяющееся постепенным ростом и выходом на плато; при выключении актиничного света уровень квантового выхода ФСII быстро увеличивается и достигает стационарного уровня. Такие изменения Φ_PSII обусловлены интенсивностью процессов, протекающих в фотосинтетическом аппарате, а также скоростью светозависимой активации/деактивации различных компонентов световой и темновой стадий фотосинтеза.

Параметры флуоресценции хлорофилла, характеризующие эти ключевые для растений процессы, могут коррелировать с хозяйственно-значимыми признаками сельскохозяйственных растений, в том числе с их устойчивостью и продуктивностью.

Известен способ предсказания накопления биомассы ячменя с применением высокопроизводительного фенотипирования, включающего регистрацию флуоресценции хлорофилла (Chen et al., 2018). Способ заключается в получении изображений растений ячменя с помощью ряда оптических методов (RGB, NIR и флуоресцентные изображения) и использовании набора полученных в результате анализа изображений параметров для предсказания прироста сырого и сухого веса растений ячменя. При данном способе показана высокая относительная значимость показателей, основанных на флуоресцентном анализе, в прогнозировании накопления биомассы, однако достаточная прогностическая точность при их применении достигалась только в совокупности с фенотипическими признаками, анализируемыми другими оптическими методами, что исключает использование применяемых флуоресцентных параметров в качестве самостоятельных предикторов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ предсказания накопления биомассы растений пшеницы (Sharma et al., 2015), принятый за ближайший аналог (прототип).

Способ заключается в использовании в качестве предиктора максимальной фотохимической эффективности фотосистемы II (F_v/F_m). Недостатком данного способа является то, что значимая корреляция между F_v/F_m и накоплением биомассы в более зрелом возрасте была найдена только для растений, подвергшихся тепловому стрессу. В то же время, при отсутствии стрессового воздействия такой связи показано не было, что свидетельствует о том, что данный способ не может быть использован для предсказания продуктивности растений.

В задачу заявляемого изобретения положена разработка нового способа прогнозирования продуктивности пшеницы на основании показателей флуоресценции хлорофилла молодых проростков.

Технический результат от использования заявляемого изобретения заключается в возможности прогнозирования потенциальной продуктивности сортов пшеницы и в ускорении селекции.

Это достигается тем, что способ прогнозирования продуктивности пшеницы на основании показателей флуоресценции хлорофилла включает помещение двухнедельных проростков пшеницы различных сортов в систему для регистрации флуоресценции, работающей на основе метода РАМ -флуориметрии, их адаптацию к темноте в течение не менее 10-15 минут, измерение темнового выхода флуоресценции хлорофилла F₀ и максимального темнового выхода флуоресценции хлорофилла F_m после адаптации к темноте в течение не менее 10-15 мин, включение актиничного света и регистрацию текущего уровня флуоресценции хлорофилла F, а также параметра F_m' с использованием насыщающих вспышек, подаваемых с периодичностью 10-30 секунд в течение не менее 10-15 минут, расчет показателя Φ_PSII по формуле Φ_PSII = (F_m′ − F)/F_m′, где Φ_{PSII –} квантовый выход фотохимических реакций фотосистемы II, F_m′ - максимальный выход флуоресценции, F – текущий выход флуоресценции, анализ полученной светоиндуцированной динамики показателя Φ_PSII и определение значений показателей, таких как эффективный квантовый выход фотореакций фотосистемы II в адаптированном к актиничному свету состоянии Φ_PSIIef и время полувыхода Φ_PSII на стационарный уровень после включения актиничного света t_1/2(Φ_PSIIef) для каждого сорта, ранжирование всех исследуемых вариантов растений сначала по величине Φ_PSIIef и отбор имеющих среди исследуемых сортов растений наибольшие значения этого показателя, затем ранжирование отобранных сортов растений по величине t_1/2(Φ_PSIIef) и выбор вариантов, имеющих наименьшие значения этого показателя, как перспективных и обладающих потенциально высокой продуктивностью; используют интактные растения в горшках, выращенные в контролируемых условиях при 24°С и 16-часовом световом периоде; параметры флуоресценции хлорофилла регистрируют с помощью системы импульсно-амплитудно-модуляционной визуализации Open FluorCam FC 800-O/1010; максимальный темновой F_m и максимальный F_m′ выход флуоресценции измеряют с использованием насыщающего импульса, представляющего собой холодный белый свет, 4000 мкмоль м^-2 с^-1, длительностью 800 мс, 6500 К; актиничный свет, представляющий собой холодный белый свет, 200 мкмоль м^-2 с^-1, включают через 5 минут; значение квантового выхода фотохимических реакций фотосистемы II Φ_PSII рассчитывают автоматически с помощью программы для регистрации флуоресценции.

На фиг. 1 изображена кривая, отражающая динамику квантового выхода фотосистемы II (Φ_PSII), вызванную включением актиничного света, где: Φ_PSIIef – квантовый выход фотохимии фотосистемы II в адаптированном к свету состоянии; t_1/2(Φ_PSIIef) – время полувыхода на Φ_PSIIef после включения актиничного света. За начало отсчёта принят момент включения актиничного света.

На фиг. 2 представлены корреляционные зависимости продуктивности 3-недельных растений пшеницы, определяемой по сухому весу, от параметров флуоресценции хлорофилла, определяемых у 2-недельных растений (Сорта: Астрид, Дарья, Зауральская Волна, Зауральский Янтарь, Злата, Ирень 2, Новосибирская 16, Сударыня, Ульяновская 105, Happy).

На фиг. 3 представлена последовательность отбора перспективных сортов пшеницы по измеренным показателям флуоресценции хлорофилла у 2-недельных растений (анализируемые сорта: Астрид, Дарья, Зауральская Волна, Зауральский Янтарь, Злата, Ирень 2, Новосибирская 16, Сударыня, Ульяновская 105, Happy (сорта 1-10, соответственно)) и сравнение результатов этого отбора с результатами оценки продуктивности пшеницы у 3-недельных растений. На первом этапе исследуемые сорта были ранжированы по величине Φ_PSIIef, и отобраны 5 из 10 сортов, имеющих наибольшие значения этого показателя (таблица слева); затем отобранные сорта ранжировались по величине t_1/2(Φ_PSIIef), и как самые перспективные были выбраны 3 сорта с наименьшим значением этого показателя (таблица в центре). Через 1 неделю после этого была проведена оценка продуктивности растений всех сортов (по сухому весу), которая показала, что отобранные по показателям флуоресценции хлорофилла сорта имели наибольшую продуктивность (таблица справа), что доказывает высокую точность предлагаемого способа. Жёлтым цветом выделены сорта, отбираемые для дальнейшего анализа.

На фиг. 4 представлена последовательность отбора перспективных сортов пшеницы по измеренным показателям флуоресценции хлорофилла у 2-недельных растений (анализируемые сорта: Астрид, Дарья, Зауральская Волна, Зауральский Янтарь, Злата, Ирень 2, Новосибирская 16, Сударыня, Ульяновская 105, Happy (сорта 1-10, соответственно)) и сравнение результатов этого отбора с результатами оценки продуктивности пшеницы у 6-недельных растений. На первом этапе исследуемые сорта были ранжированы по величине Φ_PSIIef, и отобраны 5 из 10 сортов, имеющих наибольшие значения этого показателя (таблица слева); затем отобранные сорта ранжировались по величине t_1/2(Φ_PSIIef), и как самые перспективные были выбраны 3 сорта с наименьшим значением этого показателя (таблица в центре). Через 4 недели после этого была проведена оценка продуктивности всех растений (по сухому весу), которая показала, что отобранные по показателям флуоресценции хлорофилла сорта имели продуктивность выше средней по всем сортам (таблица справа), что доказывает высокую точность предлагаемого способа. Жёлтым цветом выделены сорта, отбираемые для дальнейшего анализа.

На фиг. 5 представлены корреляционные зависимости продуктивности 6-недельных растений пшеницы, определяемой по сухому весу, от параметров флуоресценции хлорофилла, определяемых у 2-недельных растений (Сорта: Астрид, Дарья, Зауральская Волна, Зауральский Янтарь, Злата, Ирень 2, Новосибирская 16, Сударыня, Ульяновская 105, Happy).

На фиг. 6 представлена последовательность отбора перспективных сортов пшеницы по измеренным показателям флуоресценции хлорофилла у 2-недельных растений (анализируемые сорта: Лютесценс 62, Strubes Schlesischer Grannen, Аленькая Уймонская, Хлудовка, Paragis, Саратовская 29, Wachtel, Solo, Кантегирская 89, Сибирская 12, Naxos (сорта 1-11, соответственно)) и сравнение результатов этого отбора с результатами оценки продуктивности пшеницы у 4-недельных растений. На первом этапе исследуемые сорта были ранжированы по величине Φ_PSIIef, и отобраны 5 из 11 сортов, имеющих наибольшие значения этого показателя (таблица слева); затем отобранные сорта ранжировались по величине t_1/2(Φ_PSIIef), и как самые перспективные были выбраны 3 сорта с наименьшим значением этого показателя (таблица в центре). Через 2 недели после этого была проведена оценка продуктивности всех растений (по сухому весу), которая показала, что отобранные по показателям флуоресценции хлорофилла сорта имели продуктивность выше средней по всем сортам (таблица справа), что доказывает высокую точность предлагаемого способа. Жёлтым цветом выделены сорта, отбираемые для дальнейшего анализа.

На фиг. 7 представлены корреляционные зависимости продуктивности 4-недельных растений пшеницы, определяемой по сухому весу, от параметров флуоресценции хлорофилла, определяемых у 2-недельных растений (Сорта: Лютесценс 62, Strubes Schlesischer Grannen, Аленькая Уймонская, Хлудовка, Paragis, Саратовская 29, Wachtel, Solo, Кантегирская 89, Сибирская 12, Naxos).

Предлагаемый способ прогнозирования продуктивности пшеницы на основании показателей флуоресценции хлорофилла осуществляют следующим образом.

Молодые (от 14 дней) проростки пшеницы в вегетативной стадии, выращенные в контролируемых условиях, оптимальных для данного сорта, помещают в систему для регистрации флуоресценции, работающей на основе метода ПАМ-флуориметрии, и адаптируют к темноте не менее 10-15 минут (минимальное время, необходимое для темновой адаптации исследуемых растений). Далее производят определение начальных параметров флуоресценции F₀ (темновой выход флуоресценции хлорофилла) и F_m (максимальный темновой выход флуоресценции хлорофилла), после чего включают актиничный свет и производят регистрацию текущего уровня флуоресценции F, а также параметра F_m' с использованием насыщающих вспышек, подаваемых с периодичностью от 10 до 30 секунд, не менее 10-15 минут (минимальное время, необходимое для достижения стационарного уровня флуоресценции у исследуемых растений после включения актиничного света); затем запись останавливают. Все измеряемые параметры флуоресценции хлорофилла (F₀, F_m, F и F_m') необходимы для работы программы регистрации стандартных ПАМ-флуориметров и записи временной динамики; в дальнейшем для расчёта необходимых показателей активности фотосинтеза могут быть использованы не все регистрируемые параметры.

Для дальнейшего анализа используют показатель Φ_PSII, рассчитываемый с использованием программных средств по формуле:

Φ _PSII = (F_m′ − F)/F_m′, где

Φ _PSII - квантовый выход фотохимии фотосистемы II,

F_m′ - максимальный выход флуоресценции,

F - текущий выход флуоресценции.

Далее определяют параметры полученной светоиндуцированной динамики Φ_PSII. Например, эффективный квантовый выход фотореакций Φ_PSII в адаптированном к актиничному свету состоянии (Φ_PSIIef) и время полувыхода Φ_PSII на стационарный уровень после включения актиничного света (t_1/2(Φ_PSIIef)), который определяют как время достижения половины значения Φ_PSIIef после включения актиничного света, могут быть определены по кривой, отражающей динамику квантового выхода фотосистемы (Φ_PSII) (фиг. 1). Также показатель Φ_PSIIef могут определять как значение последней временной точки записи динамики Φ_PSII, после чего вычисляют половину этого значения и определяют t_1/2(Φ_PSIIef) как время, которое прошло с момента включения актиничного света до момента достижения половины значения Φ_PSIIef. Выбор данных параметров обусловлен тем, что они показывают высокую корреляцию с продуктивностью растений пшеницы, анализируемой через 1 неделю после регистрации флуоресценции (фиг. 2).

Корреляционный анализ проводят с использованием коэффициента корреляции Пирсона, рассчитываемого по формуле:

где x̅ и y̅ - средние значения выборок переменных x и y).

В предлагаемом способе в качестве переменной х выступает сухой вес растений пшеницы, а в качестве переменной y – выбранный показатель флуоресценции хлорофилла (Φ_PSIIef или t_1/2(Φ_PSIIef)).

Так по данным, полученным на растениях пшеницы 10 сортов (Астрид, Дарья, Зауральская Волна, Зауральский Янтарь, Злата, Ирень 2, Новосибирская 16, Сударыня, Ульяновская 105, Happy), уровень Φ_PSIIef у двухнедельных проростков положительно коррелирует с накоплением сухой массы трёхнедельных растений пшеницы (r = 0,6), а величина t_1/2(Φ_PSIIef) показывает отрицательную связь (r =-0,76). Физиологическую основу наличия такой корреляции можно объяснить, рассматривая фотосинтетические процессы, которые эти параметры отражают. Φ_PSII отражает эффективность использования растениями энергии поглощенного света, при этом его величина показывает линейную связь со скоростью ассимиляции СО₂ (Leipner et al., 1999; Maxwell, Johnson, 2000; Baker, 2008), что, в свою очередь, определяет накопление биомассы (Kruger, Volin, 2006; Ferguson et al., 2021). Увеличение Φ_PSII при переходе «темнота-свет» связано с активацией темновых реакций фотосинтеза (Baker, 2008) и в данном случае отражается временем полувыхода на Φ_PSIIef (t_1/2(Φ_PSIIef)). Эта активация связана с усилением газообмена через устьица (Zhang et al., 2018) и запуском сигнального каскада, приводящего к активации RuBisCO (Andersson, 2008) на свету. В целом эти параметры отражают эффективность использования энергии световых реакций фотосинтеза при образовании органического вещества в темновых реакциях, что напрямую связано с накоплением растительной биомассы (Heyneke, Fernie, 2018; Nowicka et al., 2018).

Следует отметить, что параметр t_1/2(Φ_PSIIef), характеризующий скорость светоиндицированных изменений в фотосинтетическом аппарате, показывает более высокую прогностическую точность, чем стационарный уровень фотосинтетической активности в адаптированном к свету состоянии Φ_PSIIef. Однако целесообразно использовать оба параметра для оценки потенциальной продуктивности пшеницы.

Далее производят ранжирование всех исследуемых вариантов растений по величинам Φ_PSIIef и t_1/2(Φ_PSIIef) (фиг. 3). Растения, обладающие наибольшими среди изучаемых величинами Φ_PSIIef, определяют как наиболее перспективные для дальнейших селекционных испытаний. После этого отобранные на основе значений Φ_PSIIef варианты растений ранжируют по величине t_1/2(Φ_PSIIef); при этом к наиболее перспективным относят варианты растений с наименьшей величиной параметра t_1/2(Φ_PSIIef). Количество отбираемых растений определяется ограничениями для дальнейших стадий селекционных испытаний.

За счет индивидуализации режима получения светоиндуцированных кривых, предлагаемый способ обеспечивает повышение эффективности предсказания продуктивности у растений пшеницы на основе данных о состоянии и функционировании фотосинтетического аппарата в более раннем возрасте. В частности, интенсивность актиничного света и насыщающих вспышек может быть подобрана исходя из применяемого оборудования и условий измерения.

Предложенный способ обеспечивает возможность прогнозирования потенциальной продуктивности сортов пшеницы и ускорение селекции за счет быстрого и простого отбора перспективных сортов растений на основании данных о состоянии и функционировании их фотосинтетического аппарата в двухнедельном возрасте, характеризующегося показателями Φ_PSIIef и t_1/2(Φ_PSIIef) и их связи со степенью накопления биомассы в более позднем возрасте (через 1-4 недели), коррелирующей с продуктивностью, а также за счет того, что на последующие более дорогостоящие стадии отбора будет выходить меньшее количество сортов.

Ниже представлены примеры осуществления предлагаемого изобретения.

Пример 1

Эксперимент осуществляли на растениях пшеницы 10 сортов, в отношении которых была показана эффективность предложенного способа для периода прогнозирования в 1 неделю (Астрид, Дарья, Зауральская Волна, Зауральский Янтарь, Злата, Ирень 2, Новосибирская 16, Сударыня, Ульяновская 105, Happy).

Параметры флуоресценции хлорофилла на листьях двухнедельных интактных растений в горшках, выращенных в контролируемых условиях (24°С, 16-часовой световой период), регистрировались с помощью системы импульсно-амплитудно-модуляционной (ПАМ) визуализации Open FluorCam FC 800-O/1010 (Photon Systems Instruments, Чехия). После адаптации к темноте в течение 15 мин определяли темновой (F₀), а также максимальный (F_m) выход флуоресценции с использованием насыщающего импульса (холодный белый свет, 4000 мкмоль м^-2 с^-1, длительность 800 мс, 6500 К) После этого измеряли текущий (F) и максимальный выход флуоресценции F_m' с использованием насыщающих вспышек, генерируемых каждые 30 с. Актиничный свет (холодный белый свет, 200 мкмоль м^-2 с^-1) включали через 5 мин; после включения актиничного света запись параметров флуоресценции хлорофилла осуществляли в течение 15 минут. Значение квантового выхода фотохимических реакций ФСII (Φ_PSII) рассчитывалось автоматически с помощью программы, предоставленной производителем системы. Далее анализировали полученную светоиндуцированную динамику Φ_PSII, определяя значения эффективного квантового выхода фотореакций ФСII в адаптированном к актиничному свету состоянии (Φ_PSIIef) и времени полувыхода Φ_PSII на стационарный уровень после включения актиничного света (t_1/2(Φ_PSIIef)). После этого сорта пшеницы были ранжированы по значению Φ_PSIIef, и отобраны 5 из 10 сортов, обладающие наибольшей величиной этого параметра (фиг. 4). Далее отобранные сорта ранжировались по величине t_1/2(Φ_PSIIef), и три сорта с наименьшими значениями этого параметра были выбраны как рекомендованные для дальнейших селекционных испытаний. Через 4 недели после регистрации фотосинтетической активности определялась продуктивность исследуемых растений, оцениваемая по величине накопленного сухого веса. Сорта, выбранные предложенным способом, обладали высокой продуктивностью; величина накопленного сухого веса превышала средние по всем исследуемым сортам значения, что доказывает высокую точность предлагаемого способа. Надёжность способа доказывается ещё и тем, что при анализе данных всех сортов была показана высокая отрицательная корреляция между значением t_1/2(Φ_PSIIef) и продуктивностью (r = -0,67) (фиг. 5). Такой результат говорит о том, что предложенный способ предсказания продуктивности растений пшеницы на основе параметров флуоресценции хлорофилла применим для периодов прогнозирования до нескольких недель, при этом точность предсказания снижается незначительно, и результаты остаются достоверными.

Пример 2

Эксперимент осуществляли на растениях пшеницы 11 сортов, для которых предложенный способ прогнозирования продуктивности ранее не применялся (Лютесценс 62, Strubes Schlesischer Grannen, Аленькая Уймонская, Хлудовка, Paragis, Саратовская 29, Wachtel, Solo, Кантегирская 89, Сибирская 12, Naxos).

Параметры флуоресценции хлорофилла на листьях двухнедельных интактных растений в горшках, выращенных в контролируемых условиях (24°С, 16-часовой световой период), регистрировались с помощью системы Open FluorCam FC 800-O/1010 (Photon Systems Instruments, Чехия). После адаптации к темноте в течение 15 мин определяли темновой (F₀), а также максимальный (F_m) выход флуоресценции измеряли с использованием насыщающего импульса (холодный белый свет, 4000 мкмоль м^-2 с^-1, длительность 800 мс, 6500 К). Далее включали актиничный свет (холодный белый свет, 200 мкмоль м^-2 с^-1) и измеряли текущий (F) и максимальный выход флуоресценции F_m' с использованием насыщающих вспышек, генерируемых каждые 30 с. Длительность действия актиничного света (холодный белый свет, 200 мкмоль м^-2 с^-1) была достаточной для выхода значения интенсивности флуоресценции на стационарный уровень и составляла 15 минут, после чего запись выключали. Значение квантового выхода фотохимических реакций ФСII (Φ_PSII) рассчитывалось автоматически с помощью программы, предоставленной производителем системы. Далее анализировали полученную светоиндуцированную динамику Φ_PSII, определяя значения эффективного квантового выхода фотореакций ФСII в адаптированном к актиничному свету состоянии (Φ_PSIIef) и времени полувыхода Φ_PSII на стационарный уровень после включения актиничного света (t_1/2(Φ_PSIIef)). После этого сорта пшеницы были ранжированы по значению Φ_PSIIef, и отобраны 5 из 10 сортов, обладающие наибольшей величиной этого параметра (фиг. 6). Далее отобранные сорта ранжировались по величине t_1/2(Φ_PSIIef), и три сорта с наименьшими значениями этого параметра были выбраны как рекомендованные для дальнейших селекционных испытаний. Через 2 недели после регистрации фотосинтетической активности определялась продуктивность исследуемых растений, оцениваемая по величине накопленного сухого веса. Сорта, выбранные предложенным способом, обладали высокой продуктивностью; величина накопленного сухого веса превышала средние по всем исследуемым сортам значения, что доказывает высокую точность предлагаемого способа. Надёжность способа доказывается ещё и тем, что при анализе данных всех сортов была показана высокая положительная корреляция между значением Φ_PSIIef и продуктивностью (r = 0,74) и отрицательная корреляция между t_1/2(Φ_PSIIef) и продуктивностью (r = -0,65) (фиг. 7). Это подтверждает эффективность предлагаемого способа предсказания продуктивности растений пшеницы на основе параметров флуоресценции хлорофилла и говорит о его применимости для разных сортов пшеницы.

Стоит отметить, что параметры Φ_PSIIef и t_1/2(Φ_PSIIef), регистрируемые у растений пшеницы в более молодом возрасте (1 неделя), не показывают статистически значимой связи с фотосинтетической продуктивностью более зрелых растений, что показывает, что для предсказания продуктивности пшеницы целесообразно измерять параметры флуоресценции хлорофилла не ранее 2-недельного возраста (Таблица 1).

Таблица 1

Коэффициенты корреляции между показателями флуоресценции хлорофилла, регистрируемыми у проростков соответствующего возраста, и продуктивностью растений пшеницы, определяемой по сухому весу в возрасте 4 недель

Параметр Возраст регистрации параметров флуоресценции хлорофилла, дни 8 15 20 25 30 Φ _{PSII ef} 0,01 0,74* 0,57 0,77* 0,79* t_1/2(Φ_PSIIef) 0,08 -0,65* -0,52 -0,60 0,26

* - корреляция имеет статистически значимый характер (p < 0,05)

Изобретение относится к области селекции растений, в частности к прогнозированию продуктивности пшеницы на основании показателей флуоресценции хлорофилла на ранних этапах ее развития. Способ включает помещение двухнедельных проростков пшеницы различных сортов в систему для регистрации флуоресценции, работающей на основе метода РАМ-флуориметрии. Проводят их адаптацию к темноте в течение не менее 10-15 минут, измеряют темновой выход флуоресценции хлорофилла F₀ и максимальный темновой выход флуоресценции хлорофилла F_m после адаптации к темноте в течение не менее 10-15 минут. Включают актиничный свет и регистрируют текущий уровень флуоресценции хлорофилла F, а также параметр F_m' с использованием насыщающих вспышек, подаваемых с периодичностью 10-30 секунд в течение не менее 10-15 минут. Расчет показателя Φ_PSII осуществляют по формуле Φ_PSII = (F_m′ − F)/F_m′, где Φ_{PSII –} квантовый выход фотохимических реакций фотосистемы II, F_m′ - максимальный выход флуоресценции, F – текущий выход флуоресценции. Проводят анализ полученной светоиндуцированной динамики показателя Φ_PSII и определение значений показателей, таких как эффективный квантовый выход фотореакций фотосистемы II в адаптированном к актиничному свету состоянии Φ_PSIIef и время полувыхода Φ_PSII на стационарный уровень после включения актиничного света t_1/2(Φ_PSIIef) для каждого сорта. Ранжируют все исследуемые варианты растений сначала по величине Φ_PSIIef и отбирают имеющие среди исследуемых сортов растений наибольшие значения этого показателя, затем проводят ранжирование отобранных сортов растений по величине t_1/2(Φ_PSIIef) и выбор вариантов, имеющих наименьшие значения этого показателя, как перспективных и обладающих потенциально высокой продуктивностью. Способ обеспечивает возможность прогнозирования потенциальной продуктивности сортов пшеницы и ускорение селекции. 5 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл., 2 пр.

1. Способ прогнозирования продуктивности пшеницы на основании показателей флуоресценции хлорофилла включает помещение двухнедельных проростков пшеницы различных сортов в систему для регистрации флуоресценции, работающей на основе метода РАМ-флуориметрии, их адаптацию к темноте в течение не менее 10-15 минут, измерение темнового выхода флуоресценции хлорофилла F₀ и максимального темнового выхода флуоресценции хлорофилла F_m после адаптации к темноте в течение не менее 10-15 минут, включение актиничного света и регистрацию текущего уровня флуоресценции хлорофилла F, а также параметра F_m' с использованием насыщающих вспышек, подаваемых с периодичностью 10-30 секунд в течение не менее 10-15 минут, расчет показателя Φ_PSII по формуле

Φ _PSII = (F_m′ − F)/F_m′, где

Φ _{PSII –} квантовый выход фотохимических реакций фотосистемы II,

F_m′ - максимальный выход флуоресценции,

F – текущий выход флуоресценции,

анализ полученной светоиндуцированной динамики показателя Φ_PSII и определение значений показателей, таких как эффективный квантовый выход фотореакций фотосистемы II в адаптированном к актиничному свету состоянии Φ_PSIIef и время полувыхода Φ_PSII на стационарный уровень после включения актиничного света t_1/2(Φ_PSIIef) для каждого сорта, ранжирование всех исследуемых вариантов растений сначала по величине Φ_PSIIef и отбор имеющих среди исследуемых сортов растений наибольшие значения этого показателя, затем ранжирование отобранных сортов растений по величине t_1/2(Φ_PSIIef) и выбор вариантов, имеющих наименьшие значения этого показателя, как перспективных и обладающих потенциально высокой продуктивностью.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют интактные растения в горшках, выращенные в контролируемых условиях при 24°С и 16-часовом световом периоде.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что параметры флуоресценции хлорофилла регистрируют с помощью системы импульсно-амплитудно-модуляционной визуализации Open FluorCam FC 800-O/1010.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что максимальный темновой F_m и максимальный F_m′ выход флуоресценции измеряют с использованием насыщающего импульса, представляющего собой холодный белый свет, 4000 мкмоль м^-2⋅с^-1, длительностью 800 мс, 6500 К.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что актиничный свет, представляющий собой холодный белый свет, 200 мкмоль м^-2 ⋅с^-1, включают через 5 минут.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что значение квантового выхода фотохимических реакций фотосистемы II Φ_PSII рассчитывают автоматически с помощью программы для регистрации флуоресценции.