Глобальное изменение климата потенциально расширяет географию выращивания цитрусовых на север, но также и приводит к более частым экстремальным холодам, подчеркивая необходимость изучения устойчивости цитрусовых к холоду для поддержки селекции. Спонтанный холодоустойчивый мутант мандарина обнаружили в Китае.
Портал AgroXXI.ru ознакомился со статьей исследователей Хунаньского сельскохозяйственного университета и Центра инноваций в области сортового садоводства, которые совместно с коллегами Университета штата Северная Каролина исследовали холодостойкий мутант мандарина.
Какие цитрусовые самые устойчивые к холоду
Цитрусовые являются важной плодовой культурой, широко культивируемой во всем мире. Несмотря на ее обширное выращивание, экстремальные погодные явления и периодический стресс от низких температур, вызванный заморозками, значительно влияют на рост и развитие цитрусовых, ограничивая их региональное распространение и безопасное производство, и представляя серьезную угрозу для цитрусовой промышленности. Кроме того, растет интерес к выращиванию цитрусовых в нетрадиционных для них регионах.
Что касается заморозков, то, например, в 1980-х годах Флорида пострадала от сильных заморозков, которые оказали огромное влияние на 30% цитрусовой промышленности штата, в результате чего некоторые фермы, работавшие в течение поколений, обанкротились. Волна холодов в 1990 году нанесла примерно 500 миллионов долларов США убытков отрасли свежих цитрусовых в Калифорнии, затронув около 450 000 гектаров цитрусовых деревьев. Заморозки 2010 года нанесли 142 миллиона евро убытков цитрусовой промышленности в испанской Валенсии. Заморозки в Южном Китае в 2018 году также нанесли огромные экономические убытки цитрусовой промышленности. На сегодняшний день проблема ущерба цитрусовым от заморозков во всем мире остается нерешенной.
Селекция по типу спонтанной мутации почки является важным способом выведения новых сортов цитрусовых. Примерно 60% сортов во всем мире получены таким образом.
Спонтанная мутация - это внезапное и наследуемое изменение фенотипа организма, которое не происходит в результате сегрегации или рекомбинации. У бутонных видов - это боковые побеги, соцветия или отдельные цветы/плоды, которые отличаются от остальной части растения по фенотипу. Хотя спонтанные мутации редки, они часто обеспечивают полезные новые характеристики, сохраняя при этом желаемые характеристики родительского растения.
Мутанты почек в основном рассматриваются как клоны базового сорта, которые отличаются только одним или несколькими мутантными вариантными аллелями. Эти мутации вызывают фенотипические модификации, такие как изменения цвета или формы плодов, размера и формы дерева, тенденции ветвления, сезона созревания и вкуса плодов и т. д. Спонтанные мутанты садоводческого значения использовались с первых дней одомашнивания растений.
Согласно предыдущим исследованиям цитрусовых, мандарин является наиболее устойчивым к холоду видом, за ним следуют сладкий апельсин и грейпфрут, в то время как лимон и лайм являются наименее устойчивыми к холоду.
Мандарин сатсума (C. unshiu) является наиболее устойчивым к холоду коммерческим сортом. Поэтому выведение устойчивых к холоду сортов из существующих относительно устойчивых к холоду культурных сортов и систематическая оценка уровня устойчивости к холоду новых сортов стали эффективными стратегиями для решения глобальной проблемы повреждения цитрусовых заморозками.
Что придает цитрусовым холодоустойчивость
Анатомия листьев является критическим показателем при оценке устойчивости растений к холоду. Исследования показали, что устойчивые к холоду сорта обычно демонстрируют более стратифицированные и плотно расположенные палисадные ткани.
Соотношение палисадной и губчатой тканей, как правило, остается относительно стабильным, и как это соотношение, так и компактность или рыхлость структуры тканей образуют многомерную систему индексов для оценки морозостойкости. Соотношение палисадной и губчатой тканей и компактность тканей положительно коррелируют с морозостойкостью растений, тогда как рыхлость тканей отрицательно коррелирует с холодостойкостью.
С физиологической точки зрения растения используют антиоксидантные защитные механизмы для смягчения окислительного стресса и поддержания окислительно-восстановительного гомеостаза в неблагоприятных условиях окружающей среды. Ключевые антиоксидантные ферменты, участвующие в этой защите, включают супероксиддисмутазу (СОД), пероксидазу (ПОД) и каталазу (КАТ).
Параллельно с этим целостность клеточной мембраны — важный барьер против экологического стресса — имеет решающее значение для устойчивости растений к холоду. В условиях экстремального холода текучесть мембраны переходит из жидкокристаллического состояния в гелеобразное, вызывая электролитный дисбаланс, что в конечном итоге приводит к метаболическим нарушениям и даже гибели клеток.
Следовательно, исследователи часто используют утечку электролита, измеряемую с помощью относительной проводимости, в качестве надежного индикатора устойчивости растений к замерзанию. Проводимость положительно коррелирует со степенью повреждения протоплазматической мембраны. Помимо физических изменений мембраны, низкотемпературный стресс также вызывает биохимические нарушения на молекулярном уровне.
В частности, холодовой стресс стимулирует выработку свободных радикалов и усиливает перекисное окисление липидов мембран. Малоновый диальдегид (МДА), конечный продукт перекисного окисления липидов, служит ключевым индикатором тяжести холодового стресса — чем выше уровень МДА, тем ниже устойчивость к холоду.
Активные формы кислорода (АФК) играют двойную роль в адаптации растений к стрессу, действуя как повреждающие агенты и важные сигнальные молекулы, которые взаимодействуют с различными регуляторными путями.
В ответ на экстремальный холод растительные клетки выработали сложные и скоординированные стратегии защиты. Осморегуляция играет ключевую роль в этом процессе, усиливая адаптацию к холоду, способствуя накоплению растворимых белков, сахаров и пролина. Эти соединения увеличивают цитозольный осмотический потенциал и снижают точку замерзания, тем самым подавляя образование смертоносных внутриклеточных кристаллов льда. Эта многогранная, многоканальная стратегия защиты отражает сложность и эффективность антистрессовых механизмов, выработанных в ходе длительной эволюции растений.
Исследования на молекулярном уровне предоставили ценную информацию о механизмах холодоустойчивости растений. Как кумулятивный количественный признак, холодоустойчивость включает две категории ключевых генов: регуляторные и защитные. Регуляторные гены, такие играют роль в регуляции сигнализации и транскрипции, тогда как защитные гены участвуют в защите растения от холодового стресса.
Активация генов защитных способствует синтезу различных защитных веществ, включая антиоксидантные ферменты (например, супероксиддисмутазу и пероксидазу) и осморегуляторные соединения (например, пролин и растворимые белки). Эти компоненты работают синергически, стабилизируя клеточные мембраны и уменьшая окислительное повреждение, в конечном итоге повышая устойчивость растений к холоду.
Как нашли холодоустойчивый мутант мандарина
В период с конца 2018 по начало 2019 года экстремально низкие температуры серьезно повредили мандариновые деревья сорта «Миягава», из которых исследовательская группа извлекла мутации почек, устойчивых к холоду. Хотя предыдущие исследования изучали устойчивость цитрусовых к холоду, лишь немногие из них предоставили всесторонний многоуровневый анализ, объединяющий фенотипы устойчивости к холоду, анатомические черты, физиологические и биохимические реакции и экспрессию защитного гена Cor8 в встречающихся в природе мутантах почек.
Это исследование является первым, в котором систематически охарактеризован устойчивый к холоду мутант мандарина «Миягава» с использованием этого комплексного подхода, что дает новые знания о механизмах, лежащих в основе повышенной устойчивости к холоду, и предлагает ценную зародышевую плазму для программ селекции.
С конца 2018 по начало 2019 года в провинции Хунань наблюдались экстремально низкие погодные условия. В районах Сюпин и Цзяшань уезда Шимэнь города Чандэ минимальные температуры упали до −8,6 °C и −9,6 °C соответственно.
Ссылаясь на «Комплексное руководство по технологии выращивания цитрусовых в Китае» Шэнь Чжаоминя, район обследования был оценен на предмет повреждений от заморозков, что подтвердило, что цитрусовые деревья в этом районе пострадали от заморозков III степени.
Даже многолетние крупные ветви взрослых деревьев пострадали от заморозков. 1 апреля 2019 года во время осмотра сильно пострадавших от заморозков садов «Миягава» были выявлены некоторые выжившие ветви, которые поддерживали энергичный рост без опадения листьев и не показывали явных признаков повреждений от заморозков. Напротив, другие ветви на тех же деревьях — и на других деревьях мандарина в том же саду — показали серьезные повреждения от заморозков. Эти выжившие ветви считаются потенциально устойчивыми к холоду мутациями почек.
Весной 2019 года как мутантные, так и дикие ветви Миягавы были привиты сверху на 3-летние горшечные деревья понцируса сорта «Дахонг Ченг». Весной 2023 года мутантные и дикие ветви были собраны с этих привитых деревьев и впоследствии привиты на однолетние трехлистные саженцы мандарина в контейнерах для расширения экспериментальной популяции. Все растения выращивались на открытом воздухе и содержались в соответствии со стандартными процедурами удобрения, орошения и борьбы с вредителями.
После естественной перезимовки в качестве экспериментальных образцов были отобраны по три горшечных растения дикого типа и мутанта «Миягава» с сопоставимой силой роста и подверглись в искусственной камере для выращивания холодовому стрессу.
Первоначально температура инкубатора была установлена на уровне 20 °C, с фотопериодом 16 ч/8 ч (свет/темнота). Был применен ступенчатый протокол охлаждения: сначала температура была снижена до 4 °C со скоростью 2 °C в 24 ч и поддерживалась в течение 7 дней, а затем дальнейшее снижение до −6 °C со скоростью 3 °C в 24 ч. Образцы листьев были собраны после 0, 2, 4, 6, 8 и 10 ч воздействия −6 °C. Для каждой временной точки отбирались здоровые весенние листья (без вредителей и болезней), быстро замораживались в жидком азоте и хранились при температуре −80 °C для последующего определения физиологического индекса. Одновременно весенние листья с тех же позиций на растениях дикого типа и мутантах фотографировались в каждой временной точке (0, 2, 4, 6, 8 и 10 ч при −6 °C) для визуального документирования реакции на холодовой стресс.
После низкотемпературной обработки ,3-5 весенних листьев одинакового размера были собраны с основания каждого растения и подвергнуты анализу.
Мутант показал на 50% более низкую относительную проводимость и содержание малонового диальдегида (МДА) при стрессе −6 °C по сравнению с диким типом, что указывает на снижение повреждения мембраны. Активность антиоксидантных ферментов была значительно выше у мутанта: активность супероксиддисмутазы (СОД) увеличилась на 10–30%, пероксидазы (ПОД) на 28% и каталазы (КАТ) до 2 раз. Содержание пролина было на 57% выше у мутанта на пиковых уровнях, что поддерживает более сильную осмотическую регуляцию. Более того, экспрессия защитного гена Cor8 в мутанте была в 2,98 раза выше, чем в диком типе во время естественной перезимовки. Эти результаты подтверждают, что мутант мандарина сорта Миягава обладает явными физиологическими, анатомическими и молекулярными преимуществами для адаптации к низким температурам и обеспечивает ценную зародышевую плазму для выведения сортов цитрусовых, устойчивых к холоду.
По статье группы авторов (Шуанъю Ван, Инци Чжан, Бен Чжан, Вэйци Ло, Сян Лю, Суминг Дай, Дажи Ли, На Ли), опубликованной в журнале Agronomy 2025 на портале www.mdpi.com.
doi.org/10.3390/agronomy15071570