The influence of soil acidity on the yield of winter rye and the possibility of edaphic selection

The review of the results of investigations on influence of soil acidity on winter rye productivity was done. The pattern of breeding process for creation of aluminum- and acid-resistant winter rye varieties under conditions of North-East of Russian Non-Chernozem zone was substantiated. Different methods of estimation such as cell and tissue cultures, method of nutrition solutions, soil culture, field study are used for screening of agricultural crop varieties on the level of resistance to abiotic stress. Winter rye is the least sensitive to soil acidity. However, higher soil acidity decreases winter hardiness and regenerating ability of rye after snow mould (M. nivale) damage that leads to shortfall of its production up to 40%. Creation of acid-resistant rye varieties is a perspective direction in breeding research especially for the conditions of north crop farming. In Russia, rye edaphic breeding began in the North-East Agricultural Research Institute in 1980 and it is now the only research institute in the country involved in this work. Studies are conducted under provocative conditions of field, greenhouse and laboratory experiments. Aluminum- and acid-resistant rye varieties were created - Regina (method of cells and tissues) and Kiprez (field method of multiple selections on natural rigid provocative background). Under conditions of natural soil background these varieties exceeded the initial variety Kirovskaya 89 in productivity by 0.24 t/ha and 0.72 t/ha correspondingly. Study on provocative soil conditions proved the superiority of variety Kiprez in aluminum- and acid-resistance. Additional productivity compared to the standard Falensky 4 was 0.26-0.32 t/ha, to the variety Kirovskaya 89 - 0.78-1.63 t/ha. Variety Regina was inferior to the standard Falenskaya 4 in productivity. In 2016 variety Kiprez was transferred to the State varietal test. Based on studies carried out in Federal Agricultural Research Center of the North-East the plan of creation of aluminum- and acid-resistant winter rye varieties with the use of complex natural provocative background (Н⁺ and Al³⁺; M. nivale) was developed and implemented. The varieties being created are subjected to obligatory test under rigid field provocative conditions. Acid-resistant varieties are reliable reserve for increasing the winter rye grain production on low-fertile acid soils of Non-Chernozem zone of Russia and are valuable sources of aluminum- and acid-resistance in breeding programs in other regions of the country.

winter rye, soil acidity, natural provocative background, breeding, varieties, aluminum- and acid-resistance

1. Косарева И.А. Изучение коллекций сельскохозяйственных культур и диких родичей по признакам устойчивости к токсическим элементам кислых почв // Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2012. Т. 170. С. 35-45.

2. Kedrova L., Saveljev Y., Sheshegova T., Shirokhih I., Lisitsyn E. Selection of winter rye (Secale cereal L.) for aluminum and acid resistance // Proceed ings of the EUCARPIA Rye Meeting - July 4-7, 2001, Radzikow, Poland. P. 389-393.

3. Haug A. Molecular Aspects of Aluminum Toxicity // Crit. Rev. Plant. Sci. 1984. Vol. 1. P. 345-373.

4. Von Uexkiill H.R., Mutert E. Global extent, development and economic impact of acid soils // Plant and Soil. 1995. Vol. 171. № 1. P. 1-15.

5. Кедрова Л.И., Уткина Е.И., Шляхтина Е.А., Коновалова С.В. Адаптивный потенциал сортов озимой ржи в условиях почвенного стресса на Северо-Востоке Нечерноземной зоны России // Достижения науки и техники АПК. 2012. № 6. С. 26-28.

6. Югай А.М. Эффективность производства и уровень кислотности почв // Вестник АПК Верхневолжья. 2015. № 4 (32). С. 3-8.

7. Уткина Е.И., Кедрова Л.И., Шляхтина Е.А. Стрессоустойчивость сортов озимой ржи в условиях Кировской области // Методы и технологии в селекции растений: Материалы Всеросс. научн.-практ. конф. с Международным участием. Киров: НИИСХ Северо-Востока, 2014. С. 107-110.

8. Климашевский Э.Л. Генетический аспект минерального питания растений. М., 1991. 415 с.

9. Соколова Т.А., Толпешта И.И., Трофимов С.Я. Почвенная кислотность. Кислотно-основная буферность почв. Соединения алюминия в твердой фазе почвы и в почвенном растворе. Изд. 2-е, исп. и доп. Тула: Гриф и К, 2012. 124 с.

10. Пономарева Л.В., Дричко В.Ф., Цветкова Н.П., Кудрявцев Д.В. Содержание подвижного алюминия и кислотность почвы на фоне бактеризации алюмотолерантными штаммами как приема повышения устойчивости растений // Сельскохозяйственная биология. 2010. № 1. С. 104-109.

11. Foy C.D. The physiology of plant adaption to mineral stress // Iowa St. J. Res, 1983. Vol. 57. P. 355-391.

12. Vlamis J., Williams D.E. Manganese and silicon interactions in the Gramineae // Plant Soil. 1967. Vol. 28. P. 131-140.

13. Choudhary M., Bailey L.D., Grant C.A. Effect of zinc on cadmium concentration in the tissue of durum wheat // Can. J. Plant Sci. 1994. V. 74. P. 549-552.

14. Yang X., Baligar V.C., Martens D.C., Dark R.B. Influx, transport and accumulation of cadmium in plant species grown at different cadmium 2+ activities // J. Environ. Sci. Health. 1995. Vol. 30. P. 569-583.

15. Buckley W.T., Buckley K.E., Grant C.A. Adsorption, absorption and translocation of cadmium in highcadmium and low-cadmium accumulating lines of durum wheat // Fourth International conference on the biogeochemistry of trace elements. 1997. P. 129-130.

16. Clark J.M., Leisle D., De Pauw R.M., Thiessen L.L. Registration of five pairs of durum wheat genetic stocks near-isogenic for cadmium concentration // Crop Sci. 1997. Vol. 37. P. 97.

17. Kabata-Pendias A., Pendias H. Trace Elements in Soils and Plants, Second Edition. Boca Raton, Florida, 1992. 365 p.

18. Schier G.A., McQuattie C.J. Stimulatory effects of aluminum on growth of sugar maple seedlings // J. Plant Nutrit., 2002. 25(11). Р. 2583-2589.

19. Jayasundara H.P.S., Thomson B.D., Tang C. Responses of cool season grain legumes to soil abiotic stresses // Adv. Agron., 1998. № 63. Р. 77-151.

20. Прянишников Д.Н. Избранные сочинения. М., 1963. Т. 1. С. 108-111.

21. Шильников И.А., Сычев В.Г., Зеленов H.A., Аканова Н.И., Федотова JI.C. Известкование как фактор урожайности и почвенного плодородия. М.: ВНИИА, 2008. 340 с.

22. Жученко А.А. Рожь - стратегическая культура в обеспечении продовольственной безопасности России в условиях глобального и локального изменения погодно-климатических условий. Киров: НИИСХ Северо-Востока, 2009. 52 с.

23. Корнилов М.Ф., Борисова Е.М., Трунина З.В. Известкование почвы и сорт (из работ Ленинградского отделения ВИУАА) // Известкование дерново-подзолистых почв. Тр. ВИУА, М., 1955. № 31. С. 202-250.

24. Косарева И.А., Семенова Е.В. Лабораторный скрининг видов пшеницы на алюмотолерантность // Доклады РАСХН. 2005. № 5. С. 5-7.

25. Лисицын Е.М., Лисицына И.И. Влияние места репродукции сорта на его потенциальную алюмоустойчивость // Сельскохозяйственная биология. 2008. № 5 С. 58-64.

26. Авдонин Н.С. Известкование кислых почв. М.: Колос, 1976. 304 с.

27. Урбан Э.П. Озимая рожь в Беларуси: селекция, семеноводство, технология возделывания. Минск: Беларус. наука, 2009. 269 с.

28. Aniol A., Madej L. Genetic variation for aluminum tolerance in rye // International symposium on Rye Breeding & Genetics. Germany, 1996. P. 201-212.

29. Яковлева О.В., Капешинский А.М. Генетические основы устойчивости к токсичным ионам алюминия у разных видов злаков // Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2012. Т. 170. С. 46-57.

30. Стихин М.Ф., Денисов П.В. Озимая рожь и пшеница в Нечерноземной полосе. Л., 1977. 320 с.

31. Zekri M., Parsons L. Response of split-root sour orange seedlings to NaCl and polyethylene glycol stresses // J. Exp. Bot., 1990. Vol. 41. N. 222. Р. 35-40.

32. Oox W., Levit J. Interrelation between environmental factors and resistance of cabbage leaves // Plant. Physiol, 1976. Vol. 57. № 4. Р. 553-555.

33. Гончарова Э.А. Стратегия диагностики и прогноза устойчивости сельскохозяйственных растений к погодно-климатическим аномалиям // Сельскохозяйственная биология. 2011. № 1. С. 24-31.

34. Щенникова И.Н., Шуплецова О.Н., Шешегова Т.К. Регенеранты ячменя с комплексной устойчивостью к стрессовым факторам // Инновационные технологии возделывания сельскохозяйственных культур в Нечерноземье. Иваново: ПресСто, 2013. Т. 2. С. 33-36.

35. Baier, A.C., Somers D.J., Gustafson J.P. Aluminum tolerance in wheat: crrelating hydroponic evaluations with field and soil performances // Plant Breeding. 1995. Vol. 114. P. 291-296.

36. Ring S.M., Fisher R.P., Poile G.J., Helyar K.R., Konyers M.K., Morris S.G. Screening species and cultivars for their tolerance to acidic soil conditions // Plant Soil. 1993. Vol. 155/156. P. 521-524.

37. Внучкова В.А., Неттевич Э.Д., Чеботарева Т.М. Использование методов in vitro в селекции ячменя на устойчивость к токсичности кислых почв // Доклады ВАСХНИЛ. 1989. № 7. С. 2-5.

38. Кедрова Л.И. Озимая рожь в Северо-Восточном регионе России. Киров: НИИСХ Северо-Востока, 2000. 158 с.

39. Щенникова И.Н. Методы и результаты селекции ячменя на устойчивость к кислым почвам // в кн. : Создание сортов овса и ячменя для кислых почв. Теория и практика. Saarbrucken: Palmarium Academic Publishing, 2012. С. 307-333.

40. Mu-yuan Z., Chun-nong H., A-bing X., Miao-bao Y. In vitro selection of aluminum-tolerant variant of barley callus and its characterization // Acta Bot. Sin. 1990. Vol. 32. № 10. P. 743-748.

41. Яковлева О.В. Методы изучения генетического разнообразия ячменя на алюмоустойчивость // Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2013. Т. 171. С. 117-122.

42. Лисицын Е.М. Эдафическая устойчивость растений и методы ее оценки // Методы и технологии в селекции растений: материалы Всеросс. науч.-практ. конф. с международным участием. Киров: НИИСХ Северо-Востока, 2014. С. 52-59.

43. Косарева И.А., Давыдова Г.В., Семенова Е.В. Определение кислотоустойчивости зерновых культур. Методические указания. СПб.: ВИР, 1995. 24 с.

44. Gallardo F., Borie F., Alvear M., Von Baer E. Evaluation of aliminum tolerance of three barley culti-vars by two shortterm screening methods and field experiments // Soil Sc. Plant Nutrit. 1999. Vol. 45. № 3. P. 713-719.

45. Иванов М.В. Основные направления современной селекции (концепция). СПб., 2001. 26 с.

46. Miftahudin M., Scoles G.J., Gustafson J.P. AFLP markers tightly linked to the aluminum tolerance gene Alt3 in rye (Secale cereal L.) // Theor. Appl. Genet. 2002. Vol. 104. № 4. P. 626-631.

47. Wang J.P., Raman H., Zhang G.P., Mendham N., Zhou M.X. Aluminium tolerance in barley (Hordeum vulgare L.): physiological mechanisms, genetics and screening methods // J. Zhejiang Univ. Sci. B. 2006. Vol. 7. № 10. P. 769-787.

48. Navacode S., Weidner A., Lohwasser U., Roder M.S., Borner A. Molecular mapping of quantitative trait loci (QTLs) controlling aluminium tolerance in bread wheat // Euphytica. 2009. Vol. 166. № 2. P. 283-290.

49. Raman H., Karakousis A., Moroni J.S., Raman R., Read B., Garvin D.F., Kochian L.V., Sorrells M.E. Development and allele diversity of microsatellite markers linked to the aluminium tolerance gene Alpin barley // Aust. J. Agric. Res. 2003. Vol. 54. № 12. P. 1315-1321.

50. Pinto-Carnide O., Guedes-Pinto H. Differential behavior of rye Portuguese populations and European varieties to aluminum toxicity // International symposium on Rye Breeding & Genetics (Book of abstracts). Germany, 1996. P. 72.

51. Шляхтина Е.А., Уткина Е.И., Кедрова Л.И., Коновалова С.В. Реакция сортов озимой ржи на условия эдафического стресса // Науке нового века - знания молодых: материалы Междунар. научн.-практ. конф. молодых ученых, аспирантов и соискателей: Сб. научных трудов в 3 ч. Ч. I. Агрономические науки. Киров: Вятская ГСХА, 2011. С. 189-194.

52. Кедрова Л.И., Уткина Е.И., Шляхтина Е.А., Шешегова Т.К., Парфенова Е.С., Шамова М.Г., Охапкина Н.А. Биологические основы производства зерна озимой ржи на Евро-Северо-Востоке РФ // Достижения науки и техники АПК. 2012. № 6. С. 21-23.

53. Уткина Е.И., Кедрова Л.И., Шляхтина Е.А., Парфенова Е.С., Шамова М.Г., Сысуев В.А., Чанчжун Ж. Реакция сорта озимой ржи Фаленская 4 в экстремальных условиях средовых факторов // Достижения науки и техники АПК. 2015. Т. 29. № 11. С. 55-57.