Введение к работе
Актуальность проблемы. Одним из эффективных приемов повышения урожайности сельскохозяйственных культур является увеличение их адаптации к условиям произрастания. В связи с этим особой актуальностью отличаются исследования по разработке методов адаптивной селекции в растениеводстве, основанных на современных достижениях генетики и биотехнологии, позволяющих за короткие сроки значительно расширить диапазон изменчивости существующих генотипов и создать формы с новыми признаками и свойствами. По мнению ряда ученых (Конарев В.Г., 2001, 2002; Шевелуха В.С., 1995), культура изолированных тканей в сочетании с селективными средами дает возможность увеличить полиморфизм растений, в первую очередь, по адаптивным признакам. А выявление естественных генетических вариаций с помощью молекулярных маркеров позволяет учитывать и целенаправленно использовать в селекции внутривидовую и внутрисортовую изменчивость растений.
На территории Сибири наиболее скороспелой, продуктивной и широко распространенной зерновой культурой является ячмень (в Красноярском крае он занимает около 100-110 тыс. га посевных площадей). Зачастую он возделывается в неблагоприятных для других зерновых культур условиях (Гончаров П.Л., Гончаров Н.П., 1995; Сурин Н.А. и др., 1999, 2008), поэтому увеличение экологической пластичности ярового ячменя одно из важнейших направлений в селекции данной культуры.
Цель – разработать экологические подходы, основанные на повышении устойчивости растений к биотическим и абиотическим стрессовым факторам с использованием генетических и биотехнологических методов в сочетании с традиционными методами селекции и информационными технологиями, при создании адаптивных форм ярового ячменя.
Основные задачи:
1. Разработать технологию использования культуры изолированных тканей для оценки и создания адаптивных форм ярового ячменя.
2. Изучить меж- и внутрисортовой полиморфизм гордеинов на основе генетического мониторинга разнообразия ярового ячменя во времени и пространстве и оценить его роль в формировании адаптивных свойств и повышении хозяйственной ценности культуры.
3. Разработать методологический подход к созданию и использованию баз данных и информационно-поисковых систем для экологического обоснования подбора исходного материала в адаптивной селекции растений.
4. Дать рекомендации по использованию культуры in vitro и спектров гордеинов в адаптивной селекции ячменя.
Научная новизна. На основании комплексных исследований установлена высокая эффективность использования биотехнологических методов для отбора ярового ячменя по устойчивости к засолению и кислотности почв, к токсинам корневых гнилей. Выявлены взаимосвязи процессов пролиферации, органогенеза и регенерации при культивировании незрелых зародышей между близкородственными генотипами. Обоснован и методически апробирован способ отбора адаптивных форм ячменя на селективных средах в культуре изолированных тканей. Созданы линии растений-регенерантов, адаптивные свойства которых отмечены при агроэкологических полевых испытаниях.
Впервые проведена генетическая паспортизация по электрофоретическим спектрам гордеинов сортов и селекционных линий Сибири. Установлена агроэкологическая обусловленность распространения гордеинкодирующих локусов сибирского селекционного и сортового материала ярового ячменя генетических маркеров. Выявлены геногеографические особенности разнообразия, установлен его дрейф во времени и пространстве, сопряженность аллелей гордеинов с хозяйственно-ценными признаками и адаптивными свойствами ярового ячменя.
Созданы программа для ЭВМ «Sela» и база данных «Селекция растений», зарегистрированные в Роспатенте. Комплексный подход к экологическому мониторингу селекционного материала с использованием информационных технологий и ретроспективного анализа селекционных данных.
Защищаемые положения:
эффективным способом оценки и создания адаптивных форм ярового ячменя, устойчивых к биотическим и абиотическим стрессовым факторам, служит культура изолированных тканей растений и селективные среды;
основой мониторинга генетического разнообразия ярового ячменя во времени и пространстве и формирование экологически обусловленных адаптивных свойств культуры является меж- и внутрисортовой полиморфизм гордеинов;
базы данных и информационно-поисковые системы – путь формирования методологических, в том числе ретроспективных, подходов к ускорению адаптивной селекции растений.
Практическая значимость. Разработана и применяется в Красноярском НИИСХ технологии получения растений регенерантов в культуре каллусных тканей на селективных средах для получения стрессоустойчивых форм ячменя и пшеницы. При создании форм, устойчивых к корневым гнилям, к кислым и засоленным почвам Восточной Сибири, в качестве самостоятельного и исходного материала в селекционных программах используются созданные регенеранты ярового ячменя.
Для целей адаптивной селекции к экологическим стрессовым факторам предложены результаты мониторинга генетического разнообразия с использованием генетических маркеров, биотехнологических методов и информационных технологий. Полиморфизм локусов гордеинов и свойств устойчивости к экстремальным факторам селекционного и сортового материала использован в практической селекции и семеноводстве ярового ячменя.
ИПС «Sela» и база данных «Селекция растений» используются для хранения и последующей статистической обработки селекционных данных с целью отбора перспективных, адаптированных к местным экологическим факторам исходных форм ячменя. Программные разработки применяются при селекции других сельскохозяйственных культур.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертации опубликованы в 102 работах, из них в изданиях, рекомендованных ВАК РФ – 12, 3 монографии и 2 свидетельства Роспатента. Основные положения диссертации представлены и обсуждены на совещаниях и конференциях, в том числе международных: «Управление генетической изменчивостью сельскохозяйственных растений» (Ялта, 1992); «Регуляторы роста и развития растений в биотехнологиях» (Москва, 2001); «Гомеостаз и экстремальные состояния организма» (Красноярск, 2003); «АГРОИНФО» (Новосибирск, 2003, 2006); «Актуальные проблемы генетики и селекции растений» (Омск, 2005); «Биология клеток растений in vitro и биотехнология», (Звенигород, 2008); «Достижения науки и техники – развитию сибирских регионов» (Красноярск, 2000); всероссийских: Генетико-селекционные школы (Новосибирск, 2000, 2002, 2004); «Генетические механизмы устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды» (Иркутск, 1991); «Аграрная наука на рубеже веков» (Красноярск, 2003); межрегиональных: «Сохранение биологического разнообразия Приенисейской Сибири» (Красноярск, 2000); на Президиуме СО РАСХН (Новосибирск, 2004); на научной сессии Общего годичного собрания СО Россельхозакадемии, 2009; на проблемных советах СО Россельхозакадемии: «Растениеводство, селекция, биотехнология и семеноводство сельскохозяйственных культур» (Барнаул, 2008) и других уровнях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, выводов и практических рекомендаций. Работа изложена на 298 страницах машинописного текста, содержит 93 таблицы, 75 рисунков и 11 приложений, включающих 50 таблиц, 11 рисунков. Список литературы включает 750 наименований, в том числе 163 на иностранном языке.
