Введение к работе
Аклхпльнасть__текы. Картофель является одной из ведущих сельскохозяйственных культур в Беларуси. Далеко за пределами республики известии сорта белорусской селекции. Однако современное производство предъявляет все более высокие требования - их качеству, удовлетворять которые с помоаыз суцествугощнх методов селекции становится все слоЕнее. Картофель в силу ссокх биологических особенностей (вегетативно размножаемый автотетраплоил) является croniiw ойъвкюя г»"»^-ааа. . 3 с»»-??' с чон поЕіиївнив е« ^атєетквностк требует новых подходов, основанных на глубоком изучении генетики культуры, использовании всего арсенала современных методов и биотехнологий.
Большие перспективы связывагэт с переводом части селекционной
работы с картофелем ив диплоидный уровень, где намного проща комби
нировать и аккумулировать гены ценных признаков, привлекать материал
диких видов Solanua. -Продемонстрированы вирокие возможности этого
подхода для использования эффектов гетерозиси. Одіггго практическая
реализация премяуітоств диплоидного уровня тробуат реяенкя ряда тео-
ргтических и изтодичоскиг проблем: несоответствия оце:'сс генотипос
на диплоидном и тетраплокдном уровнях, стерильности ди.-аплоидов, не
достаточного формирования фертильних нередуцирозанных ганот. Схемы
отбора на диплоидном уровне далеки от совершенства. С другой сторо
ны, далеко не исчерпаны возможности улучаениа традиционные методов
селекции на гетерозис, связанных, а частности, с выделением лучиих
родительских форм, их гибридизацией, отбором гетерозисних гибридов в
ранних поколениях и др. Ревение проблемы повышения эффективности се
лекции гартофэля эидктся п оптимальном сочетании традиционных и но-
пих генетических подходог.. , .
Связь работы с крупными научными програиманн. Диссертационная работа выполнена в рамках научно-исследовательских поогр»ми и тем: "Генетический контроль онтогенетического ряавмткг г; урокайности растений при гетерозисе" ( N госрегистрацки 01.85.0004575), "Гйнатнчес-киЯ контроль развития растений и метаболических процессов, обеспечивающих реализация потенциальной продуктивности при гетерозисе" (Н госрегистрацик 01890015838), проектов Фонда фундаментальных исследований Республики Беларусь Б 15-333 "Генетическая концепция создания продуктивных экологически стабильных гхбридоа и популяций картофеля (И госрегистрации 1994444) ) и Б 94-124 "Отбор на диплоидной уровне
у картофеля: генетические аспекты создания исходного материала" (Н госрегистрации 19951040 ), договоров с БелНИН картофелеводства "Разработка технологии получения дигаплоидов в культуре пыльников картофеля", с Гомельским облагропромои "Разработка технологии производства безвирусных клонов картофеля на безагаровых питательных средах" , с Институтом микробиологии АН Беларуси "Создание и поддержание генетической коллекции культур клеток сельскохозяйственных растений" .
Цель и задачи исследования. Цель исследования - разработка кон- цепцни создания гетерозисних гибридов и популяций картофеля на основе оптимального сочетания генетических манипуляций на диплоидном и тетрапдоидном уровне. Для ее решения были поставлены следующие задачи:
Предложить новые генетические подходы к решению ключевых проблем гетерозисной селекции тетраплоидных сортов картофеля - выделения лучших родительских комбинаций среди больших коллекций исходного материала и повышения эффективности отбора гетерозисних гибридов в ранних поколениях.
Изучить влияние вегетативной репродукции на оценки комбинационной способности и показатели продуктивности отдельных сеянцев.
Усовершенствовать методы гибридизации и кикроклонального размножения сортов и форм картофеля.
Исследовать возможность повышения андрогенетической способности сортов картофеля с помощью экспериментальных воздействия на растения доноры-пыльнкков.
На основе анализа фертильностх дигаплоидов картофеля и изучения наследования соответствующих признаков предложить пути повышения эффективности гибридизации дигаплоидов картофеля.
Изучить особенности формирования нередуцированных гамет в связи с фертильностью диплоидных популяций картофеля.
Сформулировать генетические принципы создания исходных диплоидных популяций и разработать схему селекции картофеля с оптимальным сочетанием генетических мелнзудяцнЯ на диплоидном и тетрапдоидном уровне.
Научная новизна полученных результатов. В результате проведенных исследований предложены и научно обоснованы оригинальные подходы к решению важных проблем гетрозисной селекции тетраплоидных сортов картофеля: выделения лучних комбинаций среди больвих коллекций ис -
ходкого материала к отбора в ранних поколениях. Для решения первой из названных проблем последовательно используется оригинальная модификация поликросс-теста и нноготестерный топкросс, в котором в качестве тестеров берутся лучине по общей комбинационной способности (ОКС) материнские формы, выделившиеся в поликроссг?. это позволяет точно и с небольшими трудозатратами определить гибридные комбинации с оптимальным сочетанием ОКС обоих родителей и их специфической комбинационной СПОСОбНОСТИ (СКС). С Целью ПОВЫГОРИМ» Зф^г-ГТЇІЗНОСТі'. Q.Q.-
лик!(и>« я pain:rr- поколениям впервые предложено до качала индивидуального отбора в течение нескольких лет применять естественный отбор по признаку количество товарных клубней. Это обеспечивает при минимальных трудозатратах элиминацию малоценных генотипов и одновременное повывение доли з популяции наиболее продуктивных, экологически стабильных сеянцев.
Сформулированы генетические принципы создания исходных диплоидных популяций и разработана схема гетерозисной салекиич с использованием отбора на диплоидном уровне у картофеля, которая, в отличив от существующих схем, учитывает эффекты ОКС как дкллемдного, так л тетраплоидного родителей, из СКС, аоэмо.чнпсть применения разнмх методов полиплондизации, повызания ОКС и СКС диплоидных: родителей з сочетании с комбинацией и аккумуляцией ценных Признаков.
С помощью методов микроклонаяьного раэиноаения и поддержания in vitro растений хартофеля получены новые сведения о природе фактора "репродукция". Показано, что размеры самого крупного клубня сеянца 1-го года сильно варьируют из-за неоднородности иикроервдовых условий . Прї сирагдаванкк первой репродукции одних М Т92 ко сеяицев из мелких клубней могут выделяться одни генотипи. а из более крупних -другие (взаимодействие "генотип - фракция").
В результате ' изучения влияния ряде экспериментальных воздействия на растения- доноры пыльников установлен* Ачхтор*, еугт-етвенно пооыаагзие андрогенатнчосгуа способность генотипа: кспользочлнио в качестве источника освещения ламп дугових ртутких с йодидами нетал-доз, признака ка томаты, опрыскивание бутонов в фазу найоза растворами 6-бензиладенииа пли гяббереллнна ( А.с. II 1554363).
Разработаны эффективные методы гибридизации картофеля ( А.с.И 1597125 и N1621824), иикроклональиого размножения картофеля ( А.с. N 1792971). предложена структура производственного цикла с оптимальным сочетаниеи микроклонирования и получения иикроклубнея, выведены
- і -
формулы для расчета объемов питомников при производстве кихрохлубнея безвирусных клонов картофеля.
Практическая значимость полученных результатов. Несмотря на то, что работа в основном имеет фундаментальный характер, многие подходы, а такхе разработанные методы и технологии могут быть использованы в селекции и семеноводстве картофеля. Для выделения лучших комбинаций среди больших коллекций исходного материала целесообразно применять представленную в диссертации схему, используя комплексную селекционную оценку сеянцев (а не только данные об их продуктивности).
"Повышение эффективности отбора в ранних поколениях" - селекционная технология, которая может быть использована после производственных испытаний и "доводки" отдельных ее частей, в частности, метода идентификации сеянцев после "естественного отбора". Сформулированные в работе принципы "популяционного семеноводства" представляют интерес для исследователей, занимающихся вопросами повышения экологической стабильности картофеля.
Принципы создания исходных диплоидных популяций и схема селекции на диплоидном уровне у картофеля, результаты изучения генетики фертильности дигаплоидов, формирования у них нередуцированных гамет, ряд выделенных селекционно-ценных диплоидных форм (источники мутации самосовместимости, мейотических мутаций и др.), богатая коллекция диплоидного и тетраплоидного картофеля - основа для развертывания селекционных исследований с использованием отбора на диплоидном уровне. Это позволит на качественно новом методическом уровне создавать сорта картофеля, существенно превосходящие существующие.
"Способ выращивания растений картофеля для получения гибридных семян" (А.с. N 1597125) в течение многих лет успешно используется в Институте генетики и цитологии АН Беларуси. Определенные перспективы для получения особо ценных гибридных комбинаций в селекции картофеля мохет иметь и "Способ выращивания растений картофеля для гибридизации " ( А.с. N 1621824).
Технология микроклонального размножения картофеля, в основе которой "Способ микроклонального размножения картофеля" (А.с. II 1792971), применяется в ИГиЦ АНБ с 1990 г. В это же время заказчику - Гомельскому облагропрому - были переданы "Методические рекомендации " с ее подробным описанием.
Экономическая значимость полученных результатов определяется возможностью повышения эффективности селекции и семеноводства карто-
феля в случае использования разработок, перечисленных в предыдущем пуикте. Если повышение эффективности селекции можно прогнозировать в отдаленном будущем (селекция - длительный процесс), то применение предложенной технологии микроклонального размножения в семеноводстве может иметь значительный экономический эффект уже в ближайшее время.
CJO^HHe_nj^p*ejjHJLJ^CC^pj^J^)ij^J^
Последовательное использование поликросс-теста и многотестер-ного топкросса, в котором в качестве тестеров берутся лучкме по ОКС материнские формы, выделившиеся в поликроссе, позволяет точно и с небольшими трудозатратами определить гибридные хомбииации с оптимальным сочетанием ОКС обоих родителей и их СКС.
Для повышения эффективности селекции в ранних поколениях до начала индивидуального отбора следует в течение нескольких лет применять естественный отбор по признаку количество товарных клубней. Это обеспечивает элиминацию малоценных генотипов и одновременное повышение доли в популяции наиболее продуктивных, экологически стабильных сеянцев. Описанный принцип монет быть использован в семеноводстве для создания продуктивных, экологически стабильных популяций картофеля.
Размеры самого крупного клубня сеянцев 1-го года сильно варьируют из-за неоднородности мнкросредовых условий. При выращивании первой репродукции одних и тех же сеянцев из мелких клубней могут выделяться одни генотипы, а из более крупных - другие ( взаимодействие "генотип- фракция").
Взаимодействие "ОКС - репродукция" имеет место лишь в некоторых условиях среды. Это означает, что последовательное испытание сеянцев 1-го года и первых двух репродукций гибридных популяций позволяет получить объективные оценки ОКС родителей.
.С помощью экспериментальных воздействий на растения доноры пыльников (специально подобранный источник освещения, обработки бутонов физиологически активными веществами, прививка на томаты) кожио существенно повысить андрогенотическую способность сортов картофеля.
Низкая мувская фертильность дигаплондов картофеля является одним из основных лимитирующих факторов для отбора на диплоидном уровне. Вероятная причина стерильности дигаплокдо» - не столько ЦМС, сколько переход в гомозиготное состояние генов "генетического груза".
Исходная популяция для отборе не диплоидной грохне должна
- б -
создаваться путей перекреста геноисточников ценных признаков и высоких агрономических показателей, доноров генов саиосовместимости, формирования нередуцированных яйцеклеток и пыльцы. В ходе предварительной селекции, осуществляемой по принципу "колонн", целесообразно применять инбридинг для эффективной комбинации и аккумуляции ценных генов, повышения ОКС и фертильности популяции.
- Схема селекции картофеля с использованием отбора на диплоидном уровне, которая учитывает эффекты ОКС как диплоидного, так и тетраплоидного родителей, их СКС, возможность использования разных методов полиплоидиэации, повышения ОКС и СКС диплоидных родителей в сочетании с комбинацией и аккумуляцией ценных генов.
Личный вклад соискателя. Основные теоретические разработки, представленные в диссертации, выполнены лично соискателем. Компьютерное моделирование изменения показателей продуктивности сеянцев в ходе "естественного отбора", а также программа анализа разнообразия S-аллелей дигаплондов картофеля выполнены Б.Ю. Аноаенко. Экспериментальные данные получены совместно с сотрудниками руководимого автором коллектива: В.Е. Подлисских, Е.В. Воронковой, А.В. Савчук, Н.В. Калашниковой, И.О. Шурадевой, В.Л. Подлисских, Н.А. Анохиной.
Апробация результатов диссертации. Основные результаты работы доложены: на конференции молодых ученых "Вклад молодых ученых Украины в интенсификацию сельскохозяйственного производства" (Харьков, 1986), V съезде ВОГиС (Москва, 1987), международной конференции "Биология культивируемых клеток и биотехнология" (Новосибирск, 1988), конференции молодых ученых и специалистов "Основные направления научно-технического прогресса в картофелеводстве, плодоводстве и овощеводстве (Саиохваловнчи,1989), VI съезде БелОГнС (Горки, 1992), VI съезде ВОГиС (Минск, 1992), республиканской конференции "Современные проблемы генетики и селекции" (Минск, 1995).
Опубликованность результатов. . Основные результаты' диссертация опубликованы в двух коллективных монографиях , энциклопедическом справочнике, 17 статьях, 4 описаниях изобретений и 10 тезисах докладов научных конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 316 стр. машинописного текста и состоит из введения, 10 глав, заключения, выводов, списка использованных источников, который включает 427 наименований, в том числе 302 иностранных, и приложения. Материал представлен в 59 таблицах и 13 рисунках.