Сomprehensive assessment of barley plants regenerated from resistant to cadmium callus lines

Accumulation of cadmium (Cd) in barley grain (Hordeum vulgare L.) and its subsequent transmission through food chains to humans and animals is a serious environmental problem. The creation of stress-tolerant varieties to reduce crop losses and bioaccumulation of toxic ions can contribute to the preservation of grain quality and increase the productivity of barley on cadmium-contaminated soils. In the process of cell selection in 2017 from the original genotype of barley 8730 x Omsk in callus cultures somaclonal variants (RA) and conducted among them the selection of toxicity-resistant 15 mg/l cadmium ion lines (RA_Cd) were obtained. Plants regenerated from callus were compared with the original genotype by physiological, biochemical and productive features, cadmium bioaccumulation in the conditions of vegetation experience. Plants were grown in normal conditions and against a provocative background of cadmium in 2017-2018. Symptoms of oxidative stress in plants were evaluated by the content of Malon dialdehyde in the leaves, the activity of superoxide dismutase, the accumulation of anthocyanins. Under stress, barley lines selected as a result of cell selection (in the medium with 15 mg/l Cd²⁺), differed from regenerants obtained under normal conditions( without Cd²+ ), and the initial genotype with higher antioxidant activity, chlorophyll (64 and 76%) and carotenoid (60 and 64%, respectively) content in leaves, seed productivity (1.3 and 4.5 times correspondently) and cadmium bioaccumulation in roots (5 and 100%, respectively). The obtained results indicate the feasibility of using cell engineering in breeding programs to improve the resistance of barley to cadmium toxicity.

cadmium toxicity, soil background, barley, somaclonal variability, cell selection, plant regenerated, oxidative stress, stability, productivity, accumulation of cadmium

1. Khan M.A., Khan S., Khan A., Alam M. Soil contamination with cadmium, consequences and remediation using organic amendments // Science of the Total Environment. 2017. Vol. 601. P. 1591-1605.

2. Rizwan M., Ali S., Abbas T., Zia-ur-Rehman M., Hannan F., Keller C., Ok Y.S. Cadmium minimization in wheat: a critical review // Ecotoxicology and environmental safety. 2016. Vol.130. Р. 43-53.

3. Доклад о состоянии и использовании земель сельскохозяйственного назначения за 2011 год [Электронный ресурс]: http://www.mcx.ru/ documents/ docu-ment/show/17135.133. htm (дата обращения: 24.01.2018).

4. Методические рекомендации по гигиеническому обоснованию ПДК химических веществ в почве. М.: Минздрав СССР, 1982. 57 с.

5. Alloway B.J., Jackson, A.P. The Transfer of Cadmium from Agricultural Soils to the Human Food Chain // Biogeochemistry of Trace Metals. 2017. P. 121-170. CRC Press.

6. Szolnoki Z.S., Farsang A., Puskas I. Cumulative impacts of human activities on urban garden soils: origin and accumulation of metals // Environmental Pollution. 2013. Vol. 177. Р. 106-115.

7. Ok Y.S., Chang S.X., Gao B., Chung, H.J. SMART biochar technology-a shifting paradigm towards advanced materials and healthcare research // Environmental Technology & Innovation. 2015. Vol. 4. P. 206-209.

8. Проблемы деградации и восстановления продуктивности земель сельскохозяйственного назначения в России / Под ред. А.В. Гордеева, Г. А. Романенко. М.: Росинформагротех, 2008. 67 с.

9. Gallego S.M., Pena L.B., Barcia R.A., Azpilicueta C.E., Iannone M.F., Rosales E.P., Benavides M.P. Unravelling cadmium toxicity and tolerance in plants: insight into regulatory mechanisms // Environmental and Experimental Botany. 2012. Vol. 83. P. 33-46.

10. Cuypers A., Plusquin M., Remans T., Jozef-czak M., Keunen E., Gielen H., Nawrot T. Cadmium stress: an oxidative challenge // Biometals. 2010. Vol. 23(5). P. 927-940.

11. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. 439 с.

12. Naeem A., Saifullah Rehman M.Z.U., Akhtar T., Ok Y.S., Rengel Z. Genetic variation in cadmium accumulation and tolerance among wheat cultivars at the seedling stage // Communications in Soil Science and Plant Analysis. 2016. Vol. 47(5). P. 554-562.

13. Гладков Е.А. Получение растений, толерантных к ионам кадмия и свинца // Биотехнология. 2006. №4. С. 87-93.

14. Мохаммед С.Е., Каранова С.Л., Долгих Ю.И. Получение толерантных к ионам кадмия клеточных линий и растений пшеницы методом клеточной селекции // Мат. Всерос. конф. «Современные аспекты структурно-функциональной биологии растений и грибов». Орел, 2010. С. 155-159.

15. Шуплецова О.Н., Широких И.Г. Повышение устойчивости ячменя к токсичности металлов и осмотическому стрессу путем клеточной селекции // Зерновое хозяйство России. 2015. №1 (37). С. 57-62.

16. Лукаткин А.С. Холодовое повреждение теплолюбивых растений и окислительный стресс. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2002. 208 с.

17. Шлык А.А. Определение хлорофиллов и каротиноидов в экстрактах зелёных листьев// Биохимические методы в физиологии растений. М.: Наука, 1971. С. 154-171.

18. Маслова Т.Г., Попова И.А., Попова О.Ф. Критическая оценка спектрофотометрического метода количественного определения каротиноидов // Физиология растений. 1986. Т.39. Вып. 6. С. 615-619.

19. Муравьева Д.А., Бубенчикова В.Н., Беликов В.В. Спектрофотометрическое определение суммы антоцианов в цветках василька синего // Фармация. 1987. Т. 36. С. 28-29.

20. Beauchamp C., Fridovich J. Superoxide Dismutase: Improved Assays and an Assay Applicable to Acrylamide Gels // Anal. Biochem. 1971. Vol. 44. P. 276-287.

21. Khan N.A., Singh S., Nazar R. Activities of antioxidative enzymes, sulphur assimilation, photosynthetic activity and growth of wheat (Triticum aestivum) cultivars differing in yield potential under cadmium stress // Journal of Agronomy and Crop Science. 2007. Vol. 193(6). P. 435-444.

22. Ильин И.Б. Тяжелые металлы в системе почва - растение. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1991. 151 с.