Содержание к диссертации
Введение
2. Генетические методи создания исходного материала. для селекции пшеницы (обзор литературы) 7
2.1. Исходный материал и методы селекции . 7
2.2. Пути и методы улучшения генофонда пшеницы. 12
2.3. Использование генетических ресурсов однозернянок в селекции пшеницы 33
3. Материал и методы исследования 42
3.1. Исходный материал и схема получения амфидиплоидов 42
3.2. Методы исследования 43
4. Изучение родительских форм, результаты гибридизации и Получения амфидиплоидов на основе тетракомпонентов Ав triticum aestivum l. И дипловдных видов пшеницы . 49
5. Цитогенетическое изучение гибридов pj и амфидиплоидов . 61
6. Исследование биологических и хозяйственных признаков амфщцшлощов 68
6.1. Яровые формы амфидиплоидов 68
6.2. Озимые формы амфидиплоидов 81
7. Изучение гибрщов миду амфвдипловдами и мягкой пшеницей 96
8. Определение положения шфидщлоидов с геномами abau в в системе рода triticum l 103
9. Обсуждение результатов рабош 121
10. Выводы 140
11. Практические рекомендации 143
Список использованной литературы 144
- Исходный материал и методы селекции
- Цитогенетическое изучение гибридов pj и амфидиплоидов
- Яровые формы амфидиплоидов
- Определение положения шфидщлоидов с геномами abau в в системе рода triticum l
Введение к работе
Для успешного осуществления современных программ селекции пшеницы важное значение приобретает проблема поиска и создания нового исходного материала. Значение нового исходного материала особенно возросло в последние годы в связи с усложнением задач, решаемых селекцией как в плане повышения продуктивности, так и в отношении иммунитета, качества продукции, устойчивости к стрессовым условиям.
Анализ литературных данных показывает, что к настоящему времени разработан достаточно широкий арсенал методов для улучшения генофонда пшеницы. Результатом применения этих методов явилось создание большого разнообразия исходного материала, содержащего генетический потенциал некоторых видов родов Eriticum , Aegilops , Agropyron , Haynaldife: , Secale , Hordeum , Elymus . Указанные роды нашли применение на всех этапах вовлечения чужеродного генетического материала: добавление к геному мягкой пшеницы целых или части чужеродных геномов, добавление или замещение отдельных хромосом или транслокации их участков; j
Слабо вовлеченными в селекцию оказались ближайшие сородичи пшеницы - однозернянки, характеризующиеся устойчивостью к грибным болезням и высоким содержанием белка в зерне. Попытки использования генофонда однозернянок в селекции пшеницы наталкивались на трудность получения гибридов между мягкой пшеницей и диплоидными видами пшеницы, а также гибели растений Pj на ранней стадии развития. В случае получения жизнеспособных растений Pj из-за мужской и женской стерильности гибридов редко удавалось получить семена при их самоопылении или беккроссе на мягкую пшеницу. Для преодоления барьера нескрещиваемости между этими видами и переноса генов однозернянок в мягкую пшеницу было разработано два метода.
В одном из них для беккроссирования на мягкую пшеницу используются гибриды 3?2 от скрещивания тетраплоидных и диплоидных видов пшеницы. Потомство каждого беккросса до восстановления фенотипа мягкой пшеницы контролируют на наличие передаваемого признака однозернянок.
Второй метод переноса полезных генов однозернянок в геном мягкой пшеницы предполагает получение амфидиплоидов от скрещивания между тетраплоидными и диплоидными видами пшеницы и последующее их вовлечение в гибридизацию с мягкой пшеницей. В качестве посредников в обоих методах выступают тетраплоидные виды пшеницы с геномом АВ, которые легче скрещиваются с однозернянками, чем гексаплоидные виды.
Однако, как гибриды j, так и аглфидиплоиды, полученные от скрещивания между тетраплоидными и диплоидными видами пшеницы, при их скрещивании с мягкой пшеницей привносят в ее геном много нежелательных генов обоих видов. Для удаления этих генов и полного восстановления фенотипа мягкой пшеницы необходимо проведение большого числа беккроссов к ней, в результате чего возникает опасность потери полезных генов однозернянок.
Чтобы избежать этих недостатков, мы предлагаем новый метод передачи генов диплоидных видов в геном мягкой пшеницы. Его принципиальное отличие от вышеуказанных методов заключается в том, что при создании амфидиплоидов вместо тетраплоидных видов пшеницы используются тетраплоидные компоненты АВ мягкой пшеницы и диплоидные виды пшеницы. Этот метод предоставляет возможность прямой передачи генетического материала однозернянок в геном мягкой пшеницы без привлечения видов посредников.
Цель исследования заключалась в создании и изучении синтетических форм пшеницы, сочетающих геномы АВ мягкой пшеницы с геномом А однозернянок.
В задачу исследований входило:
- получение яровых и озимых форм пшеницы с геномами АІШ (2п = 42);
- патогенетическое изучение синтетических форм;
- изучение биологических и хозяйственных признаков амфидиплои-дов с геномной формулой ААВ;
- исследование гибридов между амфидиллоидами ААВ и мягкой пшеницей;
- определение положения амфвдиплоидов с геномами ААВ в системе рода Triticum Ь.
Основные результаты исследований и их новизна. Предложен но-вый метод переноса генетического материала диплоидных пшениц в геном мягкой пшеницы. Впервые в мире получены яровые и озимые формы пшеницы, сочетающие геномы АВ мягкой пшеницы с геномом А однозернянок. Впервые установлено влияние замены генома D мягкой пшеницы геномом А однозернянок на проявление биологических и хозяйственных признаков. Всесторонняя оценка признаков и свойств синтетических форм пшеницы, а также результаты изучения гибридов между амфідишіоидами и мягкой пшеницей позволили определить возможности их использования в селекционной практике. На основании результатов исследования морфологических признаков амфидиллоидов впервые определено их систематическое положение в роде Triticum.
В результате выполненной работы сформулированы и выносятся на защиту следующие основные положения:
1. Хромосомы диплоидных видов пшеницы проявляют высокую степень гомологии с хромосомами генома А мягкой пшеницы,
2. Синтетические формы пшеницы, полученные на основе тетра-компонентов АВ Tritioum aestivum и диплоидных видов пшеницы могут использоваться в селекции твердой и мягкой пшеницы в качестве доноров устойчивости к мучнистой росе, желтой, бурой ржавчинам и высокого содержания белка в зерне,
3. С помощью предложенного нами метода возможно осуществление переноса генов ОТ ВИДОВ T.boeotioum,T.monooocom,T.siaska;jae в геном мягкой пшеницы без участия видов посредников.
4. Геномный состав и морфологическое сходство амфидиплоидов АъАив с тетраплоидными видами секции Dicoocoides дает основание отнести синтетические формы к этой секции.
Исследования, выполненные в диссертационной работе, являются составной частью тематического плана лаборатории цитогенетики отдела селекции и первичного семеноводства пшеницы Краснодарского научно-исследовательского института сельского хозяйства им.ІІ.ЇЇ. Лукьяненко: 0.51.104.02.02. Н2 в "Разработать новые и усовершенствовать существующие генетические, молекулярно-биологические и физиолого-биохимические методы селекции в целях повышения эффективности селекции и сокращения сроков выведения новых сортов и гибридов сельскохозяйственных культур 1. Регистрационный номер темы 01.82.1.064545.
Исходный материал и методы селекции
Проблема исходного материала всегда оставалась центральной в селекции растений. Еще в 1934 году академик Н. И. Вавилов писал: "Успех селекционной работы, как известно, определяется в значительной мере исходным материалом". Далее, намечая пути и перспективы его использования в селекции, подчеркивал: "...первейшей задачей является селекционное исследование местных популяций и выделение из них наиболее интересных форм. Исследование местного материала должно быть базой селекционной работы. Наряду с этим всемерно должны быть использованы мировые ассортименты, включающие лучшие мировые стандартные сорта, и все ботаническое разнообразие, известное для данной культуры" (Н.И.Вавилов, 1934).
На первом этапе селекции вся селекционная работа заключалась в проведении отбора среди старых местных и иностранных сортов. Таким путем были получены первые сорта в нашей стране: Московская 2411, Украинка, Лютесценс 62, Цезиум III, Гордеифор-ме 10 и др.
Переход к следующему этапу в селекции пшеницы наметился вследствие исчерпания местного материала и эмпирического определения возможности получения новых форм при переопылении сортов. Еще до исторического открытия законов Г.Менделя, У.Фаррер в Австралии, В.Саундерс в Канаде и Ф.Вильморен во Франции начали ускоренную работу по созданию новых гибридных сортов пшеницы (Н. И. Вавилов, 1966). Впервые в отенественной селекции метод внутривидовой гибридизации применил на Саратовской селекционной станции А.П. Ше-курдин (1913). Позже метод гибридизации стали применять на Харьковской (В.И. Дидусь, 1967), Краснодарской (П.П. Лукьянен-ко, 1967), Одесской (І.Г. Кириченко, 1967) и других селекцион-ных станциях.
Характерные особенности переходного момента в смене методов селекционной работы отражены в статье П.П. Лукьяненко, обобщающей итоги работы Кубанской сельскохозяйственной опытной станции и селекционной станции "Круглик". На первой станции материалом для отбора служили местные сорта, из которых индивидуальным отбором выделяли чистые линии. Коллектив второй станции работал с гибридными популяциями от скрещивания местных сортов с зарубежными. В контрольном питомнике Кубанской опытной станции находилось небольшое число линий несколько превышающих стандартный сорт по урожайности, в то время как на селекционной станции "Круглик" было выделено большое число линий существенно превышающих стандарт по урожайности и другим признакам.
Анализируя методы работы двух станций, П.П. Лукьяненко отметил важность расширения исходного материала, сделал вывод о преимуществе метода гибридизации перед чистолинейным отбором из сортов и наметил основные пути гибридизации в направлении внутривидовых скрещиваний мягкой пшеницы с привлечением отдалённых эколого-географических форм озимой и яровой пшеницы, а также меж-видовой гибридизации мягкой пшеницы с видами Т.durum и T.di-coccum (П.П. Лукьяненко, 1932).
В результате широкого использования внутривидовой гибридизации в нашей стране к 1957 году сортами озимой пшеницы гибридного происхождения было занято 86,9 % всей посевной площади этой культуры против 3,9 % в 1940 году. В то же время удельный вес сортов, которые были выведены путём индивидуального отбора, снизился до 8,1 % против 85,6 % в 1940 году (П.П. Лукьяненко, 1970).
Однако по мере возрастания требований к новым сортам и интенсификации селекционного процесса возрастали трудности решения ряда селекционных проблем с помощью одной лишь внутривидовой гибридизации, поскольку возможности этого метода ограничены генетическими ресурсами самого вида. Часто этих ресурсов недостаточно для улучшения тех или иных признаков, особенно таких, как иммунитет к болезням (М.М. Якубцинер, 1969а, А.А. Воронко-ва, 1974), зимостойкость (П.П. Лукьяненко, 1972), качество зерна (Н.В. Цицин, В.Ф. Семихов, 1976).
Отсюда возникла необходимость использовать в селекции пшеницы близкие виды и роды, обладающие этими признаками. В этой связи в селекции пшеницы начали разрабатываться и применяться методы межвидовой и межродовой гибридизации.
В результате межвидовой гибридизации мягкой пшеницы с тет-раплоидными видами рода Triticum в нашей стране были получены сорта Саррубра, Сарроза, Саратовская 29, Харьковская 46, Меля-нопус 7, Гибрид 21 и другие. С помощью межродовой гибридизации в нашей стране созданы сорта с участием пырея: ППГ-І, ШІГ-599, ППГ-І86, Восток, Грекум 114, Снегиревка, Ботаническая 2, Заря, днестровская 25 и др., и ржи: Лютесценс 237, Мильтурум 527, Мироновская 10, Безостая 2, Аврора, Кавказ и другие.
Цитогенетическое изучение гибридов pj и амфидиплоидов
В клетках гибридов F/, , полученных от скрещивания тетраком-понентов АВ мягкой пшеницы с однозернянками, как и ожидалось, оказалась 21 хромосома»
Иную картину наблюдали при подсчёте чисел хромосом у гибридов р от скрещивания пентаплоидных растений сорта Аврора с диплоидными видами пшеницы. В комбинации пента Аврора Bg х T.sinskajae из 25 просмотренных растений у ІЗ в клетках корешков обнаружили 21 хромосому, 3 растения имели 22 хромосомы, 2 растения - 24 и одно растение 25 хромосом. Четыре растения этой комбинации имели в клетках различные числа хромосом: 21, 22, 23, 24 и 28 (миксоплоидная ткань). У двух растений просчитать числа хромосом не удалось. Из четырёх гибридов J?i комбинации пента-Аврора Bg х T.monococcum 14257 одно растение имело 22 хромосомы, а три - 24 хромосомы.
Очевидно, что наличие растений с разными числами хромосом в скрещивании пенташюидов с однозернянками обусловлено распределением гамет с разными числами хромосом у пентаплоидных растений В мейозе у пентаплоидных растений унивалентные хромосомы генома Д могут или остаться в экваториальной плоскости и образовать микроядра, либо отойти к одному из полюсов с равной вероятностью. На основании равновероятного попадения хромосом генома Д в гаметы, частоты гамет с разными числами хромосом могут быть определены по формуле (0,5 + 0,5) , раскрытие которой даёт коэф 62 фициенты биномиального ряда 1,7,21,35,35,21,7,1 для гамет с числом хромосом от 14 до 21 соответственно. Так как хромосомы геномов А и В, в основном коньюгируют и расходятся нормально, в каждую гамету попадают 14 хромосом геномов А и В. Униваленты распределяются случайно и поэтому в гаметах пентаплоидов можно ожидать от 0 до 7 хромосом генома Д. Вероятности частот появления у пентаплоидов гамет с числами хромосом генома Д 0,1,2, 3, 4,5,6,7 распределяются как 0,0078; 0,0547; 0,1641; 0,2734; 0,2734; 0,1641; 0,0547; 0,0078 соответственно. Существуют и другие модели биномиального распределения частот унивалентов генома Д, с помощью которых авторы пытаются объяснить закономерность образования гамет с различными числами хромосом у пен-ташюидных растений (S.Tsuai, A.Magasawa , 1982; Е.Г. Жиров, Т.К. Терновская, 1979).
В нашем эксперименте свыше 50 % гибридов F1 комбинации пента-Аврора Bg xT.sinskajae имели число хромосом равное 21. Это говорит о том, что среди женских гамет пентаплоида сорта Аврора преобладали 14-ти хромосомные гаметы. Отсюда следует,что вышеприведённая модель биномиального распределения чисел хромосом генома Д в гаметы не соответствует эмпирическому распределению. Так как гибриды Р от скрещивания пентаплоида сорта Аврора с диплоидными видами подвергали колхицинированию, то в потомстве обработанных растений следовало ожидать появления ам-фидиплодцных растений с числами хромосом от 42 до 56. К сожалению, большинство растений Р ЭТИХ комбинаций с числами хромосом свыше 21 погибло после колхицинирования. Нами были подсчитаны числа хромосом у 2 растений Cj в клетках кончиков корешков проросших семян, имевших в Pi "22 и 24 хромосомы. В обоих случаях в соматических клетках амфидиплоидов было обнаружено по 42 хромосомы. Объяснение механизма элиминации хромосом на осно 63 вании такой выборки было бы неправомерно.
Выборочный подсчёт чисел хромосом в соматических клетках амфидиплоидов Cj показал, что все они имеют 42 хромосомы. Таким образом для получения 42 хромосомных амфидиплоидов, сочетающих геномы АВ мягкой пшеницы с геномами А диплоидных видов пшеницы можно использовать не только тетракомпоненты АВ, но и пентапло-идные растения, если тетракомпонент нежизнеспособен.
Поведение хромосом в мейозе гибридов ч и амфидиплоидов
Изучение поведения хромосом в мейозе гибридов і между тетракомпонентами АВ и однозернянками может дать представление о степени гомологии хромосом генома А мягкой пшеницы и генома А диплоидных пшениц.
Яровые формы амфидиплоидов
Изучение биологических и хозяйственно ценных признаков амфидипловдов проводили в 1979 г. в полевом опыте. Стандартами служили мягкая пшеница Сиете Серрос 66 и твердая - Краснодарская 362. Амфидипловды также сравнивали с гексаплоидными и диплоидными родительскими формами, с амфидиплоидами ПАГ-7 ( Т.durum х T.monococcum ) и НАГ-І5 ( T.persicum xT.mono coccum ). Результаты дисперсионного анализа признаков определяющих структуру урожая представлены в таблице 6.1. Обозначение значимых различий (уровень значимости Р=0,05) и (уровень значимости Р=0,01) при сравнении с Краснодарской 362 расположены слева, а с Сиете Серрос 66 - справа.
Продуктивная кустистость всех амфидипловдов находится на уровне стандарта твердой пшеницы, а тетра-Саратовская 29 Bg х T.sinskajae ( m-C rT.s) и тетра-Рескью X T.sinskaQae (т-Р XT.S. ) превышают показатель яровой мягкой пшеницы.
По длине колоса все амфидиплоиды не отличаются от стандарта твердой пшеницы, но достоверно уступают Сиете Серрос 66. У обоих стандартных сортов число колосков в колосе достоверно меньше, чем у синтетических форм.
Все амфидиплоиды имеют меньшее число зерен в колосе по сравнению со стандартами, за исключением т-С xT.s., который не отличается по числу зерен в колосе от Краснодарской 362.
Амфидиплоид т-С xT.s, в отличие от других амфидиплоидов, не уступает также стандарту твёрдой пшеницы по весу зерна с главного колоса и вместе с т-Р XT.S обоим стандартам по весу зерна с растения.
По массе 1000 зерен амфидиплоид тетра-Прелюд х T.boeoticum 46755 (т-П хт.ъ. ) не отличается от Сиете Серрос 66, остальные формы превышают показатель этого сорта. Амфидиплоиды т-Р х и тетра-Прелюд х T.sinskajae (т-П XT.S.) находятся на одном уровне со стандартом Краснодарская 362, остальные два имеют достоверно меньшую массу.
Анализ элементов структуры урожая показывает, что на формирование урожая амфидиплоидов существенное влияние оказывает озернённость колоса. Так, у лучшего по урожайности амфидиплои-да т-С xT«s» число зерен в колосе составляет 28,1, у Сиете Серрос 66 - 40,1, у Краснодарской 362 - 30,9. Этот показатель снижает вес зерна с главного колоса и растения амфидиплоидов.
Увеличению урожайности амфидиплоидов способствуют такие признаки как число колосков в колосе и масса 1000 зерен. Таким образом на урожайность амфидиплоидов в значительной мере сказывается влияние нарушения процесса мейоза (гл. 5), что приводит к снижению озерненности колоса и в конечном счете урожая с делянки (табл. 6.2),
Оба стандарта уступают всем амфидиплоидам, родительским формам, ПАГ-7 и ПАГ-І5 по содержанию белка в зерне и лизина в белке. Амфидиплоид т-С х т.s. имеет больше лизина в белке, чем Сиете Серрос 66, но не отличается от Краснодарской 362. По высоте растений три амфидиплоида короче Краснодарской 362, т-П х т.ъ. находится на уровне этого стандарта, но все они достоверно выше Сиете Серрос 66.
Оценку материала на устойчивость к полеганию перед уборкой отмечали по 10-ти балльной шкале. Все амфидиплоиды имели 10 баллов, как и Сиете Серрос 66, за исключением т-Р XT.S. с оценкой 9 баллов. Второй контроль отмечен 7 баллами.
Цветение у амфидиплоидов наступало на 2-8 дней позднее, чем у Сиете Серрос 66 и на 1-3 дня позднее, чем у Краснодарской 362. У т-П х т.ъ. оно совпало с твёрдой пшеницей. Оценку устойчивости яровых амфидиплоидов к грибным болезням проводили в поле и на инфекционном фоне в 1979 и 1981 годах, диплоидные виды пшеницы, участвующие в родословной амфидиплоидов были иммунны к мучнистой росе как в полевых условиях, так и на инфекционном фоне.
Из гексплоидных родительских форм сильной восприимчивостью к мучнистой росе отличаются сорт Прелюд и его тетраплоидный компонент, их поражение на инфекционном фоне достигало 100 %. Степень поражения амфидиплоидов, полученных с участием этого сорта колебалось около 20 %. Остальные амфидиплоиды обладали иммунитетом к этому заболеванию (табл. 6.3). двухлетнее испытание амфидиплоидов на устойчивость к ржавчинам показало, что они не поражаются желтой ржавчиной в полевых условиях и на инфекционном фоне.
Определение положения шфидщлоидов с геномами abau в в системе рода triticum l
"Отдалённая гибридизация растений, относящихся к разным видам и родам, особенно скрещивание представителей культурных видов с дикорастущими, позволяет не только улучшать сорта существующих культурных растений, но и создавать новые виды растений и новые сельскохозяйственные культуры" (Н.В. Цвдин, 1979).
Однако искусственно созданные формы часто не отвечают таксономическим требованиям для номенклатурного выделения и присвоения им видового ранга (К.М. Завадский, 1961; Э. Майр,1974). В систематике пшеницы также существует проблема выделения таксонов и присвоения им соответствующего ранга в результате чего до сих пор окончательно не решен вопрос об объёме рода Triicum 1« . В настоящее время имеется несколько классификаций этого рода. В некоторые из них, наряду с природными видами пшеницы, включены виды Aegiiops , а также искусственно созданные межвидовые и межродовые амфидиплоиды.
Одна из классификаций рода Triticum. і» , предложенная В.Ф. Дорофеевым и Э.Ф. Мигушовой (1979), базируется на основе геномного состава видов и наличия или отсутствия ряда главных генов в доминантном состоянии. Эта классификация отражает дифилетичес-кое происхождение тетраплоидных видов и вследствие этого филогенетическое развитие рода в направлении двух подродов, в основе различий которых находятся диплоидные виды - носители геномов Аи и Ав.
Авторы классификации возвели в ранг вида одну искусственно полученную форму с геномом ABG Д, являющуюся гомологом природного вида T.spelta L. (Au В Д), и высказали предположение о возможности создания гомолога мягкой пшеницы с таким же геномным составом, но легким обмолотом. Вскоре такая форма была получена (ЗЗ.Г. Жиров, 198Сг) и, видимо, будет отнесена к группе голозерных гексаплоидов секции Kiharae Dorof. et Migusch
Можно также предвидеть создание формы пшеницы с геномом AUAUB, которая будет являться гомологом вида T.zhukovskyi МепаЪйе et Ericzjan (ABABG ), Кроме этой формы пшеницы, для которой авторы "оставили место" в своей классификации, могут быть синтезированы ещё две формы с геномами ABAUB и AUABG . Эти форш пшеницы являются местом соприкосновения двух подродов или "мостиками" между ними. Одна из них, с геномной формулой АвАаВ, уже получена в разное время рядом исследователей (А.Р. Жебрак, 1939а; А.С. Каспарян, 1940; Е. Schiemano, G.Staudt , 1956; Э.В. Таврин, 1970; Г.И. Иванов, В.В. Корунчикова, 1981).
Однако амфидиплопды с геномом ABAUB не отражены в классификационных системах, за исключением классификации Н.Н. Цве-лёва (1976).
Выяснению вопроса о месте форм пшеницы с геномом АВА В в системе родаTriticша ь. и посвящено настоящее исследование. Согласно классификации В.Ф. Дорофеева и Э.Ф. Мигушовой амфиди-плоиды с геномной формулой ABAUB, в хромосомном наборе которых одновременно присутствуют геномы Ав и Au , можно отнести к секциям двух подродов: секции Dicoccoides БЧаквЪ.Сподрод Triticum ) і t , , и/или секцииTimopheеvii A.Filat et.Dorof. (подрод Boeoticum
Migusch. et.Dorof.). Сравнение же геномных составов амфидиплоидов ABAUB и видов относящихся к секциям Dicoccoides (AUB) и ті-mopheevii (ABG ; ABABG ) показывает, что в первом случае они имеют два общих генома, а во втором - один. Опираясь на эти факты мы предположили, что амфидиплопды должны иметь большее морфологическое сходство с видами секции Dicoccoid.es , чем с видами секции TMopheevii
Для обоснования таксономического статуса амфидиплоидов с геномной формулой АВА UB и определения их положения в системе рода Triticum было проведено изучение степени сходства между природными видами и синтетиками.
Аллогексаплоиды АВА В сравнивали с природными видами, относящимися к 5 секциям рода Triticum , автополиплоидами некоторых видов и тетракомпонентами А UB из сортов мягкой пшеницы (табл. 8.1).
