Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. STRONG Потенциал изменчивости подсолнечника и современные
направления селекции STRONG 10
1.1. Краткая история культуры 10
1.2. Кариотип подсолнечника 13
1.3. Видовой состав рода Helianthus L. 16
1.4. Современные направления селекции 24
1.5. Мировые коллекции подсолнечника 43
Глава 2. Материал, методы и условия проведения опыта 46
2.1. Материал 46
2.2. Методы полевого и лабораторного изучения материала * 47
2.3. Математические методы для оценки материала 52
2.4. Условия проведения опыта 53
Глава 3. Межвидовая гибридизация 61
3.1. Актуальность получения и изучения межвидовых гибридов культурного подсолнечника с многолетними дикорастущими видами 61
3.2. Скрещиваемость культурного подсолнечника с многолетними дикорастущими видами по данным нашего исследования 66
3.3. Морфологическое описание межвидовых гибридов 74
3.4. Генетическое изучение межвидовых гибридов 76
3.5. Эмбриологическое исследование межвидовых гибридов 78
3.6. Кариологическое изучение межвидовых гибридов 82
3.7. Анализ запасных белков гелиантинина и альбумина межвидовых гибридов 83
3.8. Обсуждение результатов межвидовой гибридизации 86
Глава 4. Системы ЦМС-Rf для гетерозисной селекции подсолнечника
4.1. Основные принципы гетерозисной селекции подсолнечника . 94
4.2. Система ЦМС - Rf на основе Н. rigidus. 105
4.3. Создание доноров восстановления фертильности пыльцы к ЦМС на основе И. petiolaris. 1 12
4.4. Скрининг доноров по устойчивости к ложной мучнистой росе и фомопсису 119
Глава 5. Маркерные признаки 124
5.1. Маркерные биохимические признаки 124
5.2. Изменчивость признаков образцов культурного подсолнечника коллекции ВИР. Признаковая коллекция 127
5.3. Генетический контроль морфологических признаков 155
5.4. Особенности инцухта и наследования признаков подсолнечника 178
Глава 6. Короткостебельиость 184
6.1. Разнообразие карликовых мутантов культурных растений . 184
6.2. Проявление карликовости (короткостебельности) у подсолнечника 193
6.3. Анализ изменчивости и характера наследования короткостебельности у линий коллекции ВИР 198
6.4. Морфологический анализ типов короткостебельности линий ВИР 217
Глава 7. Генетическая коллекция подсолнечника и возможности ее использования 225
7.1. Генетическая коллекция подсолнечника в ВИРе 225
7.2. Список генов 231
7.3. Картирование генов подсолнечника 240
Заключение 248
Выводы 253
Рекомендации для селекционной практики 255
Список литературы 256
- Современные направления селекции
- Скрещиваемость культурного подсолнечника с многолетними дикорастущими видами по данным нашего исследования
- Основные принципы гетерозисной селекции подсолнечника
- Разнообразие карликовых мутантов культурных растений
Введение к работе
Культурный подсолнечник (Helianthits anrntus L.) является главной масличной культурой Российской Федерации и одним из важнейших источников пищевого растительного масла в мире, наряду с соей, рапсом, арахисом (Putt, 1997). Посевные площади под подсолнечником в 1998-2001 гг. в мире составляли свыше 18 млн. га, в том числе в России - 3,5 - 3,8 млн. га ежегодно. За рубежом возделываются только гетерозисные гибриды, так как эффект гетерозиса у подсолнечника по оценкам разных авторов составляет от 20 до 60% (Морозов, 1934, 1936; Ананьева, 1936; Плачек, 1936; Putt, 1957; Habura, 1958 и др.). У нас в стране традиционно возделываются сорта и гибриды, но последние в основном иностранного происхождения. Создание отечественных гетерозисных гибридов весьма актуально как для удовлетворения внутренних потребностей страны в пищевом и техническом растительном масле и в интересах национальной безопасности, так и для производства продукции на экспорт, поскольку семена подсолнечника ценятся на мировом рынке. Получение принципиально нового исходного материала для селекции гетерозисных гибридов возможно с привлечением потенциала дикорастущих видов подсолнечника. Для его использования необходимо изучение биологии размножения дикорастущих видов, вопросов скрещиваемости дикорастущего и культурного подсолнечника, получение и исследование межвидовых гибридов.
Для создания генетических карт хромосом и маркирования хозяйственно ценных признаков современные генетики используют различные методы анализа ДНК. Но мы уверены в том, что корректно провести идентификацию генов на молекулярном уровне возможно только на предварительно генетически проработанном материале, для чего необходимы создаваемые нами признаковая и генетическая коллекции подсолнечника.
В России подсолнечник возделывается на юге и в средней полосе - в Краснодарском крае, Ростовской, Саратовской, Белгородской, Воронежской, Тамбовской и Курской областях. Севооборот в перечисленных областях перенасыщен этой культурой, что приводит к большему распространению болезней и возникновению эпифитотий. Одним из путей решения этой проблемы может быть расширение границ возделывания подсолнечника на север и восток. Для этой цели необходим исходный материал для селекции ультрараннеспелых короткостебельных сортов и гибридов.
Исследования проведены в соответствии с государственными программами Всероссийского НИИ растениеводства им. Н. И. Вавилова.
Цель исследования. Выявить наследственный потенциал культурного и дикорастущих видов подсолнечника, сосредоточенный в коллекции ВИР для использования его при решении основных задач селекции и генетики: получении исходного селекционного материала и создании генетической коллекции.
Задачи исследования.
Доказать возможность использования потенциала изменчивости многолетних дикорастущих видов посредством их гибридизации с культурным подсолнечником.
- Создать новые системы ЦМС - Rf, в том числе на принципиально новой основе с использованием ЦМС Helianthus rigidus (Cass.) Desf. для селекции гетерозисных гибридов подсолнечника.
- С использованием ннцухта выявить генетическую изменчивость культурного подсолнечника, изучить характер наследования морфологических признаков и создать признаковую и генетическую коллекции.
- Изучить характер наследования короткостебельности подсолнечника и возможности использования короткостебельных линий в селекции для снижения высоты растения гетерозисных гибридов.
Научная новизна исследования.
Показана возможность скрещиваемости культурного подсолнечника с многолетними дикорастущими видами, получения межвидовых гибридов, наследующих однолетнюю жизненную форму, создания интрогрессивных линий и использования их в селекции.
Создана новая система ЦМС - Rf на основе ЦМС И. rigidus (ЦМС RIG) для селекции гетерозисных гибридов подсолнечника. Предложен принципиально новый селекционный материал на иной цитоплазматическоЙ основе, что является предпосылкой для устранения унификации ЦМС традиционно используемой для селекции гетерозисных гибридов подсолнечника.
Создана признаковая коллекция подсолнечника по высоте растения, восстановлению фертилыюсти пыльцы, автофертильности, морфологическим признакам.
В результате проведенного генетического анализа впервые установлен характер наследования следующих признаков: восстановления фертильности пыльцы ЦМС RIG; бугорчатой поверхности, сложенности по главной жилке и асимметричности листовой пластинки; колокольчатой формы ложноязычковых цветков; лимонной окраски пыльцы. Выявлены три типа генетического контроля короткостебельности, определяемые не менее чем восьмью генами. На базе этих исследований создана генетическая коллекция подсолнечника.
Основные положения, выносимые на защиту
• Наследственный потенциал многолетних дикорастущих видов подсолнечника возможно реализовать путем их гибридизации с культурным подсолнечником без применения методов биотехнологии. Включение генома дикорастущих видов в геном культурного подсолнечника происходит за счет интрогрессии.
• Интрогрессивные линии, полученные в результате межвидовой гибридизации, являются ценным селекционным материалом, так как несут гены восстановления фертильности пыльцы для линий ЦМС и являются источниками устойчивости к ложной мучнистой росе и фомопсису.
• Создание признаковых и генетической коллекций - необходимый этап в изучении наследственного потенциала культуры для полноценного его использования в селекционных программах и генетических исследованиях.
• Генетический контроль короткостебельности подсолнечника осуществляется не одним геном, как предполагалось ранее, а несколькими, как минимум тремя генетическими системами.
Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены на совещаниях рабочей группы ФАО по подсолнечнику (Пиза, Италия, 1991; Монпелье, Франция, 1995; Удине, Италия, 2001), Международном Ботаническом конгрессе по сложноцветным (Кью, Англия, 1994), Международном конгрессе ЭУКАРПИЯ (Юваскеле, Финляндия, 1995), Международном конгрессе ЭУКАРПИЯ, секция масличных и белковых культур (Запорожье, Украина, 1996), IV Международной конференции по биотехнологии подсолнечника (Монпелье, Франция, 1998), Всероссийской научно практической конференции "Научное обеспечение увеличения производства высококачественных маслосемян подсолнечника" (Вейделевка, 1998), Всероссийской научно-практической конференции по масличным культурам (Краснодар, 1999), XV Международном конгрессе по подсолнечнику (Тулуза, Франция, 2000), совместном заседании секции культурных растений Всероссийского общества генетиков и селекционеров и Вавиловского общества естествоиспытателей (Санкт-Петербург, 2000), II съезде Всероссийского общества генетиков и селекционеров (Санкт-Петербург, 2000), заседании секции культурных растений Российского Ботанического общества (Санкт Петербург, 2001), на Международной конференции по генетическим ресурсам растений (Санкт-Петербург, 2001), научно-производственных совещаниях отдела генетических ресурсов масличных и прядильных культур ВИР.
Публикация результатов исследования. Всего докторантом: опубликовано 50 научных трудов, из них по материалам диссертации - 39 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, списка литературы и приложения. Текст изложен на 299 стр., включая 37 таблиц, 31 рисунок. Список цитированной литературы содержит 409 наименований, в том числе 207 на иностранных языках.
Основные исследования проведены на Кубанской опытной станции ВИР в 1988 - 2002 годах. Экологические испытания проводились также на Екатерининской станции ВИР и Пушкинских лабораториях ВИР. Результаты изучения устойчивости к болезням получены при оценке образцов на естественном фоне в полевых условиях на Кубанской опытной станции, а также при сотрудничестве с Всероссийским институтом масличных культур (г. Краснодар) и Всероссийским институтом подсолнечника (п. Вейделевка).
С 1990 года наши исследования выполнялись в соответствии с ГНТП " Высокопродуктивные процессы производства продовольствия" по проекту " Доноры и генетические коллекции растений" (шифр 0.12.03.002).
БЛАГОДАРНОСТИ. Выполнение полевых исследований данной работы стало возможно благодаря коллективу лаборатории подсолнечника КОС ВИР и его заведующей - кандидату биологических наук Валентине Тимофеевне Рожковой. Во все годы исследований сотрудники лаборатории проводили посев растений, помогали в их изоляции и уборке. Работа на Кубани была чрезвычайно приятной благодаря благожелательности и помощи сотрудников лаборатории подсолнечника и всех сотрудников Кубанской опытной станции ВИР. Проводимая работа осуществлялась при неизменной поддержке дирекции станции.
Автор приносит искреннюю благодарность сотрудникам, в разные годы осуществлявшим поддержание в живом состоянии и определение видовой принадлежности дикорастущих видов подсолнечника Татьяне Трифоновне Толстой и Николаю Александровичу Савченко за помощь в выполнении полевых исследований.
Благодарю за многолетнее плодотворное сотрудничество доктора биологических наук Ирину Николаевну Анисимову, а также кандидатов биологических наук Галину Константиновну Низову и Галину Ивановну Пендинен. Благодарю за сотрудничество, всестороннюю поддержку и оценку материала сотрудников ВНИИМК и ВИЛ.
Специальная благодарность доктору биологических наук Маргарите Афанасьевне Вишняковой за дружеское участие, сотрудничество и консультации.
Автор благодарен коллективу отдела генетических ресурсов масличных и прядильных (технических) культур и заведующей отделом Софии Николаевне Кутузовой за постоянную моральную и информационную поддержку, помощь и консультации.
Современные направления селекции
Основными направлениями народнохозяйственного использования подсолнечника являются масличное (пищевое и техническое масло), кондитерское, кормовое и декоративное. Главным среди них является первое -масличное, поскольку подсолнечник - главная масличная культура России, и входит в первую пятерку главных масличных культур в мире.
Для кондитерского использования необходим крупноплодный подсолнечник с массой 1000 семян 140 - 150 г, с хорошей обрушиваемостью (легким обмолотом) и пониженным содержанием масла. В настоящее время этим требованиям отвечают российские сорта Кондитерский (селекции ВНИИМК) и Донской крупноплодный (селекции Донского филиала ВНИИМК) (Тихонов и др., 1992). За рубежом возделываются крупноплодные гибриды подсолнечника, которые кроме размеров семянок отличаются от масличных еще и полосатой окраской (окраска семян зарубежных гибридов масличного направления - черная).
Подсолнечник кормового направления используется для силосования на корм, в основном, для крупного рогатого скота. Это направление селекции успешно развивалось в 50-80-х гг. Были созданы сорта Белозерный гигант, Гигант (к- 549) и другие, высота растения которых достигала 3 - 4,5 м. В Украинском институте масличных культур (г. Запорожье) совместно с ВИРом создан гетерозисный гибрид на основе ЦМС rigidus (Cass.) Desf кормового направления, высота растений которого достигает шести метров. Зеленая масса силосных сортов должна иметь сбалансированный состав аминокислот, чему способствует больший процент цветущих к моменту уборки корзинок. В связи с этим для силосования лучше использовать высокорослые ветвистые формы подсолнечника. Таким требованиям отвечают сорта венгерской и болгарской селекции. Декоративный подсолнечник селектировался в Европе в VII - VIII веках и снова оказался востребованным и стал "модным" в конце второго тысячелетия. Селекцию по декоративным качествам подсолнечника ведут в институте полевых и овощных культур (г. Нови Сад) в Югославии, в Украинском институте масличных культур (г. Запорожье). В Австрии недалеко от Вены создан парк подсолнечника, где представлены все возможные варианты мутации по окраске и форме соцветия (Albertoni & al., 1992).
Основные направления селекции: селекция сортов-популяций, гетерозисная селекция, селекция на устойчивость к болезням и улучшение качества масла.
Для селекции сортов-популяций B.C. Пустовойтом и его школой в 60-70-х годах прошлого века разработан метод многократного индивидуального отбора с оценкой лучших семей по потомству, который позволил создать высокомасличные и высокопродуктивные сорта подсолнечника, такие как Передовик и Передовик улучшенный, ВНИИМК 6544, ВНИИМК 8883 и другие (Г.В. Пустовойт и др., 1978). Современные сорта подсолнечника: среднеспелые - Юбилейный 60, Прогресс, Лидер; раннеспелые - Березанский, Юговосточный; ультраскороспелые - Кавказец, Енисей сочетают высокую продуктивность и масличность (48-50%) с устойчивостью к подсолнечниковой моли, к распространенным расам заразихи и ложной мучнистой росы, вертициллезу, пепельной гнили (Тихонов и др., 1992). Однако, несмотря на высокую потенциальную урожайность (до 36-40 ц/га), реальная урожайность подсолнечника в среднем по стране не превышает 9-12 ц/га. Причин тому несколько, в том числе поражение гнилями, фомопсисом, новыми расами ложной мучнистой росы, несоблюдение агротехнических приемов возделывания и потери при уборке из-за невыровненности сортов по высоте растения, наклону корзинки и срокам созревания. В селекции на повышение масличности достигнут биологический предел (около 60 % масла в семянке), превышение которого приводит к трудностям, возникающим при хранении товарного подсолнечника. Установлено, что необходимым условием сохранности семян является лузжистость семянок на уровне 22-24% (Дьяков, 1975; Тихонов и др., 1992). Дальнейшее повышение урожайности подсолнечника стало возможно за счет создания межлинейных гетерозисньгх гибридов.
Гибриды имеют ряд преимуществ по сравнению с сортами-популяциями. Гетерозисный эффект гибрида при соблюдении всех правил агротехники дает существенную прибавку урожая семян. Растения F1 всегда выровнены по всем признакам, в том числе по длине вегетационного периода и высоте. Это уменьшает вероятность заражения болезнями в период цветения и сокращает потери урожая при уборке. Гибриды, как правило, автофертильны, что важно для завязывания семян в период опыления и формирования полноценного урожая в условиях дефицита насекомых-опылителей. Использование гибридов позволяет гарантировать защиту прав селекционера и экономически выгодно селекционным фирмам, так как вынуждает производителей товарного подсолнечника закупать семена ежегодно.
Самые важные показатели, по которым оценивают сорта, гибриды и исходный селекционный материал, это урожайность и масличность.
Масличность и качество масла. Масличность определяется соотношением жира и нежировых веществ в семянке. Подавляющую долю нежировых веществ составляют протеины. Давно установлена высокая отрицательная корреляция (г = - 0,8 - 0,9) между содержанием масла и белка в ядрах семянок (Успенский, 1928; Рушковский, 1957; Дьяков, 1966, 1975). Существуют низкомасличные образцы подсолнечника (около 30%) и высокомасличные современные сорта и гибриды, у которых процент масла доходит до 68%. Однако и у тех и у других масличность сильно варьирует в зависимости от условий внешней среды. Доказано, что наибольшее влияние среди внешних факторов оказывают азотное питание, густота стояния и влажность. Масличность снижается при избытке азотных удобрений в почве и увеличении площади питания, так как при этом еще больше улучшается снабжение азотом каждого растения. Снижение масличности при улучшении азотного питания объясняется не уменьшением синтеза масла, а тем, что количество белка возрастает в большей степени, чем количество масла (Дьяков, 1975).
Скрещиваемость культурного подсолнечника с многолетними дикорастущими видами по данным нашего исследования
По нашим данным более успешными были те варианты скрещиваний, в которых в качестве материнской формы использовался культурный подсолнечник. В реципрокных комбинациях, если и удавалось получить гибридные семянки, они оказывались мало жизнеспособны. Например, для прямой и реципрокной комбинаций скрещиваний Н. annuus х Н. mollis в сумме получено одинаковое количество семян (44), но гибридные растения выросли только из тех семян, где использовалась пыльца многолетнего вида. Г. В. Пустовойт (1975) наблюдала противоположную закономерность. В ее опытах успешнее скрещивались дикорастущие виды с культурным подсолнечником, когда последний использовался в качестве отцовской формы.
У гибридов первого поколения культурного подсолнечника с многолетними дикорастущими видами описаны несколько вариантов фенотипов. Первый вариант: растения культурного типа, по морфологическим признакам похожи на стандартный сорт Передовик, но не на материнскую линию ЦМС. Второй вариант: растения похожи на однолетний дикорастущий Н. annuus. Третий вариант: у гибридов выявляются признаки, полученные ими от дикорастущего родителя: сильное опушение стебля, антоциановая окраска стебля, черешков, трубчатых цветков и лопастей рыльца, а также все типы ветвления - нижнее, верхнее, ветвление по всему стеблю; описаны растения с первым и вторым порядком ветвления. Линии ЦМС, использованные в скрещиваниях, не обладают ни одним из этих признаков. По всем перечисленным признакам, а также по высоте растения, длине вегетационного периода и фертильности в Fj наблюдалось расщепление в одних комбинациях скрещиваний и не наблюдалось в других. При чем, не удается выявить какие-либо закономерности по наличию или отсутствию расщепления или появлению того или иного варианта фенотипа. При анализе последующих поколений F2, F3-F8 в потомстве одних комбинаций скрещиваний отмечено расщепление по всем учитываемым признакам, в потомстве других комбинаций расщепление отсутствовало. К последним относятся гибриды H.annuus х Н. floridanus и Н. annuus х Н. angustifolius, Н. annuus х Н. mollis. Межвидовые гибриды Н. annuus х Н. giganteus, Н. annuus х Н. californicus, Н. annuus х Н. occidentalis, Н. annuus х Н. тахітіШапі, Н. annuus х Н. rigidus, Н. annuus х Н, mberosus дают расщепление в потомстве одних гибридных растений и не показывают расщепления в потомстве других. При возвратных скрещиваниях с линией ЦМС получаются растения культурного типа.
В некоторых комбинациях скрещиваний, например, линия НА 89 х Н. strumosus нами получено расщепление в Fi по образу жизни (2 растения многолетние и 4 - однолетние) в 1998 году, тогда как в той же самой комбинации в 1992 году получены только однолетние растения. Только многолетние растения отмечены в комбинации H.maximiliani х H.annuus в 1999 году. Гибриды с многолетним образом жизни были получены и в том случае, когда материнской формой был многолетний вид и в случае использования в качестве материнской формы культурного подсолнечника. Для того, чтобы понять генотипическую природу полученных гибридов первого и последующих поколений были предприняты следующие исследования: морфологическое, генетическое, эмбриологическое, кариологическое и молекулярно-биологическое (анализ запасных белков гелиантинина и альбумина).
Среди полученного нами в результате многолетних скрещиваний разнообразного материала в первом, втором и последующих поколениях можно выделить определенные морфологические типы растений.
I морфологический тип - многолетние растения, имеющие промежуточный фенотип между линией культурного типа и использованным в скрещивании многолетним дикорастущим видом: отсутствие главного побега, тонкие многочисленные стебли, опушение стебля и листьев и листорасположение такие как у дикорастущего вида, но листья более крупные, высота растения значительно ниже (около 100 см, тогда как, высота растения у многолетних дикорастущих видов свыше 200 см). Подобный морфологический тип межвидовых гибридов описан И. Георгиевой-Тодоровой (Georgievaodorova, 1984)
II морфологический тип - однолетние растения по фенотипу очень похожие на однолетний дикорастущий Н. аппиш, имеющие длинные ветви 1-го порядка по всему стеблю и четко выраженный главный стебель с довольно крупными сердцевидными листьями на главном стебле и мелкими ланцетовидными листьями на ветвях. Межвидовые гибриды подобного морфологического типа также были получены И. Георгиевой-Тодоровой при скрещивании культурного подсолнечника с многолетними дикорастущими видами (Georgievaodorova,1984).
III морфологический тип -однолетние растения высотой 150-160 см с сильным опушением всего растения; ветвление начинается с нижней трети стебля; ветви второго порядка короткие (10-15 см); имеется главная корзинка, вокруг нее 4-7 мелких корзинок второго порядка, наличие антоциана на стебле и черешках, лист матовый мелкий сердцевидный слегка бугорчатый, как у линий -восстановителей фертильности пыльцы культурного подсолнечника. Описание такого типа растений, получаемых в результате межвидовой гибридизации, в литературных источниках нам не встречалось.
IV морфологический тип - однолетние растения высотой 60 - 70 см, главный стебель выражен, имеется нижнее ветвление из пазух первых двух пар настоящих листьев, расположенных на стебле почти супротивно, 4 ветви второго порядка достигают высоты главного побега и несут корзинки по диаметру на 2-3 см меньше главной. Литературных данных о таком морфологическом типе растений межвидовых гибридов нет.
V морфологический тип - растения однолетние высотой 120-130 см, неветвистые, имеют крупную (15-18 см в диаметре) выпуклую корзинку, эректоидный черешок - эти признаки характерны для исходной материнской линии ЦМС. Однако форма листовой пластинки другая - выпуклая и складчатая, тогда как у линии ВИР 151 (которая являлась материнской формой в данном случае) листовая пластинка имеет форму лодочки с мелкими зубчиками по краю. Подобный морфологический тип межвидовых гибридов также описан Й. Георгиевой-Тодоровой (Georgievaodorova, 1984).
Основные принципы гетерозисной селекции подсолнечника
Эффект гетерозиса у подсолнечника был отмечен еще в 30-х годах XX столетия. Е.М. Плачек (1936) пришла к выводу, что гибридизация является наиболее перспективным методом селекции подсолнечника. При скрещивании между собой самоопыленных линий, ею были получены отдельные гибридные комбинации, превышающие стандартный сорт по семенной продуктивности на 20-60%. В.К. Морозов (1934, 1936) получил гибридные комбинации, которые превышали стандартный сорт Саратовский 169 по урожаю семян на 38%, а по содержанию масла - на 35%. СВ. Ананьева (1936) отмечала значительное увеличение урожая семян (на 30%), диаметра корзинки, высоты растения и площади листовой поверхности у межсортовых гибридов по сравнению с исходными формами. И.Г. Ягодкин (1937) выявил высокий эффект гетерозиса у гибридов первого поколения по урожаю семян (62-65%) при скрещивании самоопыленных линий. В 50-е годы зарубежные исследователи также пришли к выводу о необходимости вести селекцию инбредных линий и возделывать гетерозисные гибриды подсолнечника (Putt, 1957; НаЪша, 1958). Таким образом, перспективность использования гетерозисного эффекта у подсолнечника была доказана, проводилась интенсивная работа на уровне межсортовой гибридизации. Гибриды получали при свободном цветении родительских форм на основе избирательности оплодотворения. При этом гибридных семян получали около 50% (Putt, 1963). Естественно, что эффект гетерозиса при этом снижался. Изучение канадских гибридов Advance и Advent показало тесную связь (г=0,7) между уровнем урожайности гибридов и процентом гибридности семян (Putt, 1964). В силу этого межсортовые гибриды от свободного цветения не нашли широкого распространения в производстве ни у нас, ни за рубежом. Дальнейшим этапом развития гетерозисной селекции явилась разработка методов использования гетерозиса на межлинейном уровне. В настоящее время уже не вызывает сомнений правильность выбранного гетерозисного направления в селекции подсолнечника. Первые гетерозисные гибриды были созданы на ядерной мужской стерильности, но настоящие перспективы гетерозисной селекции селекционеры оценили после открытия цитоплазматической мужской стерильности и эффекта восстановления фертильности.
Ядерная мужская стерильность. Мужская стерильность у подсолнечника впервые описана А.И. Купцовым в 1934 году (Купцов, 1934). Проведенный им генетический анализ показал моногенный рецессивный контроль этого признака. А.И. Гундаев (1971) описал ядерную мужскую стерильность у отдельных растений нескольких сортов подсолнечника -ВНИИМК 1646, ВНИИМК 8931, Передовик, Армавирец и Саратовский. В этот период во многих странах почти одновременно было выявлено большое число источников генных форм мужской стерильности, а П. Леклерк (Leclercq, 1968) открыл тесное сцепление гена мужской стерильности с геном антоциановой окраски гипокотиля всходов. Было выявлено 5 рецессивных генов, контролирующих ядерную мужскую стерильность : ms 1 - ms 5 (Погорлецкий, 1973; Погорлецкий и др., 1971; Leclercq, 1968; Skoric, 1985). В 1999 г. Ф.К. Виличку (1989) сообщил еще об одном гене ms к, выявленном им в линии SW 514 французского происхождения. Для двух генов ms описано комплементарное взаимодействие и два гена взаимодействуют по типу рецессивного эпистаза (Skoric, 1985). Первые гибриды на основе ядерной мужской стерильности Romsun 52 и Romsim 53 были райониронированы в Румынии в 1971г. и с успехом прошли испытания в США и Италии (Vranceanu, 1973).
Первые отечественные гетерозисные гибриды подсолнечника на основе ядерной мужской стерильности стали возможны благодаря изучению характера наследования ядерной мужской стерильности и антоциановой окраски растения. Доминантная аллель гена ядерной мужской стерильности Ms 1 сцеплена с доминантным геном, контролирующим антоциановую окраску гипокотиля, стебля и трубчатых цветков (Погорлецкий, 1973). Генная мужская стерильность и ее сцепленное наследование с антоциановой окраской были использованы для получения первых отечественных гетерозисных гибридов без ручной кастрации. Все стерильные растения генотипа tms\ были зелеными, все фертильные - с генотипом Tt Ms lmsl - с антоциановой окраской. Эту гетерозиготу использовали в качестве материнской формы. Расщепление всегда было в основном 1 ТMs I : 1 t ms L Окрашенные фертильные растения удаляли до цветения, на стерильных растениях после переопыления с отцовской формой получали семена гетерозисных гибридов (Погорлецкий, 1973; Погорлецкий и др., 1971). Это позволило создать в конце 60-х начале 70-х годов и внедрить в производство первые промышленные гибриды на основе генной маркированной мужской стерильности в Румынии Romsun 52 и Romsun 53 (Vranceanu, 1973) и в нашей стране (Рассвет) (Погорлецкий, 1973).
После открытия ЦМС, выявления генов автофертильности и изучения генетического контроля восстановления фертильности пыльцы у линий с ЦМС стало возможно получать гетерозисные гибриды подсолнечника на основе цитоплазматической мужской стерильности.
Цитоплазматнческая мужская стерильность. Цитоплазматическая мужская стерильность была открыта П. Леклерком (Leclercq, 1966) во Франции у межвидового гибрида культурного подсолнечника с Н. petiolaris Nutt. Второй тип питоплазматической мужской стерильности - ЦМС на основе И. annutis ssp.lenticularis ( по классификации А.В. Анащенко, см. табл. 1.2) - выявлен А.В. Анащенко (1968). К настоящему времени известно свыше 40 различных источников ЦМС на основе однолетних и многолетних дикорастущих видов ( и ни одного - на основе культурного Н. annuus). Н. Сириесом (Serieyes, 1996) предложена классификация типов ЦМС с использованием трехбуквенного обозначения вида - первоначального источника ЦМС (табл.4.1). Идентификацию типов ЦМС производят не только по происхождению, но главным образом, по восстановлению фертильности. И наоборот, идентификация генов восстановления фертильности пыльцы осуществляется по реакции восстановления фертильности пыльцы у разных типов ЦМС.
В результате сравнительного изучения показано различие по митохондриальной ДНК фертильной линии НА 89 (РЕТ1) и ее стерильных аналогов. Однако митохондриальная ДНК у линий с разными типами цитоплазматической мужской стерильности похожа на таковую у линии -источника ЦМС PET 1 (Friedt & al., 1997, Prufe & al., 1998). Несмотря на многообразие источником ЦМС, в селекции гетерозисных гибридов используются пока только PET 1 и PET 2, оба получены на основе однолетнего дикорастущего вида Н. petiolaris. Эти два источника имеют постоянное проявление стерильности, независимое от условий температуры и влажности, и надежные восстановители фертильности пыльцы. Возможно, что другие источники стерильности еще недостаточно изучены.
Разнообразие карликовых мутантов культурных растений
Гетерозис гибридов первого поколения проявляется не только по урожайности, но и по высоте растения. Оптимальная высота гибридов 140 - 150 см. Родительские формы таких гибридов должны иметь высоту растения не более 100 см. Кроме того, короткостебельные раннеспелые формы позволяют расширять зону возделывания подсолнечника. В США подсолнечник возделывают преимущественно в северных штатах. Селекцией подсолнечника занимаются в Канаде, Германии и даже в Финляндии. Успешно выращивают подсолнечник на Юге Сибири и в Башкирии, где за теплый, но короткий период вегетации раннеспелые короткостебельные сорта и гибриды способны дать урожай. За счет использования раннеспелого короткостебельного подсолнечника в европейской части России граница возделывания подсолнечника от Центральной полосы России (Тамбовская, Курская, Орловская области) может быть продвинута на север. Кроме того, короткостебельные растения за счет уменьшения своей вегетативной массы выносят из почвы значительно меньше питательных веществ по сравнению с высокорослыми и дают такой же, как нормальные растения, или больший урожай при меньшей площади питания. В теоретическом плане карлики являются моделью для изучения процессов регуляции роста и развития растения.
6.1 Разнообразие карликовых мутантов культурных растений. Карликовые мутанты описаны более чем у 120 видов растений, относящихся к разным семействам, - у кукурузы, пшеницы, риса, ячменя, томатов, редиса, арабибопсиса и многих других (Фадеева и др., 1980.) В литературе встречаются два понятия, которые используются для описания низкорослых мутантов -карликовость и короткостебельность. Нам не удалось обнаружить определения этих терминов и, следовательно, не удалось выявить различий для их употребления. В нашем обзоре литературных сведений термины приведены в соответствии с тем, как их употребляет автор.
Возможно, что короткостебельность - это более общее понятие, а карликовость - частный случай короткостебельности. Мы считаем, карликовость возникает в результате мутации одного гена. Короткостебельность образуется в результате взаимодействия нескольких генов, например, результатом суммирующего эффекта рецессивных аллелей аддитивно действующих генов,
С 1965 по 1975 гг. средняя урожайность пшеницы в мире выросла с 1,2 до 1,6 т/га. К 1985 средняя урожайность пшеницы в мире достигла 2,19 т/га (Дорофеев и др., 1987). Важнейшим фактором такого повышения урожайности культуры является создание полукарликовых сортов пшеницы, устойчивых к полеганию в условиях орошения и применения азотных удобрений (Дорофеев и др., 1987). Выделяются следующие фенотипические группы форм пшеницы по признаку высоты растения: высокорослые (выше 120 см); среднерослые (106-120 см); короткостебельные (86-105 см); полукарликовые (61-85 см); карликовые (60-41 см); суперкарликовые (ниже 41 см). Эта классификация демонстрирует разнообразие проявления признака высота растения у пшеницы.
А. Ф. Мережко (1994) сообщает о 20 идентифицированных генах Rht, действие которых приводит к снижению высоты растения пшеницы. Предполагается существование двух типов факторов короткостебельности: действие генов первого типа связано со временем колошения и длиной соломины; факторы второй группы действуют избирательно и независимо на каждое междоузлие. Первая группа факторов может снизить высоту растения на 20 - 30 см, в то время как гены второй группы способны снизить высоту на 40 -50 см. Наибольшее влияние на высоту растения оказывают гены, воздействующие на два верхних междоузлия, так как на их долю приходится 70% высоты растения пшеницы. Высота растения в большой степени зависит от длительности фаз развития: те факторы, которые ускоряют прохождение фаз онтогенеза, приводят к появлению более низкорослых растений. Таким образом, отмечается положительная связь между короткостебельностью и скороспелостью растения пшеницы (Гилл, 1984; Дыленок, Яцевич, 1984; Мережко, 1994).
Многие Rht гены не чувствительны к экзогенному гиббереллину и даже обеспечивают повышенное содержание этого гормона. Нечувствительность к гиббереллину наследуется как качественный рецессивный признак; для гена нечувствительности предложен символ Gai. Сцепленными считаются гены Gai и Rht. Открытым остается вопрос о том, являются ли гены Gai и Rht разными и тесно сцепленными, или нечувствительность к гиббереллину и короткостебельность - результат действия одного плейотропного гена.
Помимо генов Rht у пшеницы описаны гены гибридной карликовости D, действие которых приводит к появлению короткостебельных гибридов от скрещивания нормальных высокорослых сортов. Взаимоотношения генетических систем Rht и D еще в полной мере не ясны. Наибольшее применение в селекции пшеницы нашли как рецессивные, так и доминантный гены rht-1, rht-2, Rht-3, rht-8, rht-9 (Мережко, 1994).
Многие авторы выявляют олигогенный характер короткостебельности у пшеницы: моно-, ди-, три- и реже тетрагенный контроль этого признака. Установлено аддитивное взаимодействие и эпистаз: эпистаз гена rht-A к генам rht-1, rht-2; гена rht-б к гену rht-5; гена rht-S к гену rht-2 (Дорофеев и др., 1987).
Кукуруза - один из наиболее полно изученных в генетическом отношении растительных объектов. Для кукурузы составлены генетические и цитологические карты хромосом, создана богатая генетическая коллекция, включающая линии с маркерами по всем 10 хромосомам. Имеются множественно маркированные линии, трисомики, гетерозиготы и гомозиготы по транслокациям и т. п. Вполне естественно, что и генетика короткостебельности у кукурузы к настоящему времени изучена достаточно хорошо. Описаны 5 генов; dl, d2, d3, d5, D8, Доминантным геном является лишь ген D&. Все карлики имеют сильно укороченные междоузлия. Все гены карликовости обнаруживают плейотропное действие как на вегетативные органы (широкие, короткие, желтые морщинистые листья) так и на репродуктивные (в початке формируются цветки, имеющие недоразвитые пыльники; метелка сильно уплотнена, в пыльниках мужских цветков мало пыльцы). Рецессивные гены dl, d2, d3, d5 являются чувствительными к гиббереллину: обработка слабым раствором гибберелловой кислоты приводит к восстановлению у карликовых растений нормального габитуса. Обработка гиббереллином карликов D8 не ведет к восстановлению нормального габитуса. К числу карликовых можно отнести и мутации ydl, yd2. Плейотропное действие генов yd заключается в желтом цвете листьев у карликов этого типа (Подольская, 1988).
Кроме карликовых форм у кукурузы описано и некоторое число генов, формирующих полукарликовый фенотип. Это гены brl, Ъг2, ЬгЗ, bvl, bv2, crl, ctl, ct2, gl-17, mil, паї, na2, rdl, rd2, pyl, idl. Как правило, полукарлики имеют незначительные морфологические отклонения, которые выражаются в укорочении междоузлий. Некоторые полукарлики brl, с/1, rdl могут быть перспективны для селекции при повышенной плотности посева и недостатке влаги (Подольская, 1988). У ржи В.Г. Смирнов и СП. Соснихина (1984) описывают пять типов карликовости.
