Введение к работе
Актуальность исследований. Конопля посевная (Cannabis sativa L.) принадлежит к важнейшим техническим культурам, имеющим большое народнохозяйственное значение. Несмотря на динамичное развитие химической промышленности, производящей искусственные волокна, значение и востребованность натурального волокна не уменьшаются. Напротив, благодаря своим уникальным технологическим свойствам, конопляная продукция получает новые, инновационные направления использования.
Промышленные посевы этой культуры были широко распространены в дореволюционной России и СССР, достигая в отдельные годы почти миллиона гектар, а экспорт пеньки и конопляного масла являлся одной из важнейших статей валютных доходов государства.
Однако растения вида Cannabis sativa L. потенциально могли являться сырьём для изготовления наркотических соединений. Поэтому культивирование конопли посевной стало существенно сокращаться с начала 70-х годов ХХ века, как в общемировом, так и в российском масштабах. В Российской Федерации площади посева культуры в 2011году по отношению к 60-м годам прошлого века снизились более чем в 500 раз и в настоящее время составляют менее 1,5 тыс. га (в основном в Центральной России и Краснодарском крае). Россия же за последние годы превратилась в импортёра натурального волокна и растительного масла. Годовая потребность отечественной промышленности в целлюлозе составляет не менее 600 тыс. тонн. Ежегодно за рубежом закупается до нескольких миллионов тонн конопляного и джутового волокна, а импорт пищевых масел составляет не менее 1 млн. тонн (в основном малоценного пальмового масла).
Глобальная экологизация сферы производства и ориентация индустрии на использование возобновляемых сырьевых ресурсов детерминируют возрастающий спрос на технические культуры, в том числе и коноплю посевную. Современная экономика и экология нуждаются в различных сортах конопли, пригодных как для переработки на волокно, ткани, бумагу, масло (техническое и пищевое), лекарственные препараты, так и для оздоровления биоценозов вредных промышленных производств и рекультивации поражённых радионуклидами местностей. Поэтому определяющим направлением современной селекции конопли посевной стало выведение новых низкоканнабиноидных форм (сортов и гибридов) культуры различных направлений хозяйственного использования, обладающих комплексом необходимых признаков и свойств, устойчивых к неблагоприятным факторам среды. Особенную актуальность приобрела технологическая адресность сорта (гибрида).
Сортимент сортового разнообразия однодомной конопли до 2000 года был крайне ограничен. В Государственном реестре селекционных достижений, допущенных к использованию на территории РФ, имелось лишь два сорта среднерусской (Диана, Ингреда) и три сорта южносозревающей (ЮСО 14, Золотоношская ЮСО 11, ЮСО 31) однодомной конопли. Эти сорта обладали повышенными параметрами хозяйственно полезных признаков и характеризовались содержанием тетрагидроканнабинола (ТГК) в растениях не более 0,1%. Однако им был присущ ряд недостатков, в том числе слабая устойчивость воздействию неблагоприятных факторов среды и поражению болезнями. Отсутствовали сорта преимущественно масличного направления использования, а содержание масла в районированных сортах было низким (менее 28%). Не был изучен жирнокислотный состав масла этих сортов.
Поэтому требовалось расширить сортовое разнообразие культуры однодомной конопли посевной, создать сорта (гибриды) конопли посевной с более низким содержанием ТГК и увеличенными параметрами необходимых признаков и свойств, в том числе повышенной устойчивостью к биотическим и абиотическим стрессорам, высоким содержанием качественного волокна и масла. Кроме того, было необходимо разработать эффективные приёмы семеноводства новых сортов, обеспечивающих ускоренное размножение высших категорий семенного материала для обновления семян.
Актуальность данной работы заключается в необходимости расширения сортового разнообразия культуры конопли посевной путём создания высокопродуктивных безнаркотических сортов (гибридов) различных направлений использования, а также совершенствования элементов агротехники их семеноводства.
Цель и задачи исследований. Цель исследований заключалась в формировании нового исходного материала для селекции однодомной конопли посевной, обладающего высокой потенциальной продуктивностью, качественными свойствами, устойчивостью к стрессорам внешней среды и содержанием ТГК в растениях менее 0,1%, создании на его основе высокоурожайных сортов и гибридов, не обладающих наркотической активностью, а также совершенствовании агротехнических элементов их семеноводства.
В задачи исследований входило:
– выделить из мирового генофонда вида Cannabis sativa L. сортообразцы, перспективные для вовлечения в селекционный процесс;
– подобрать родительские компоненты для гибридизации и получить рекомбинантный исходный материал для селекции новых форм;
– выполнить комплексное изучение исходного материала, провести сравнительную оценку и отбор перспективных форм (сортообразцов и гибридных комбинаций) на последовательных этапах селекционного процесса;
– создать высокоурожайные адаптивные сорта и гибриды однодомной конопли различных направлений использования, не обладающие наркотической активностью;
– установить оптимальные параметры норм высева и способов сева новых сортов (гибридов) посевной конопли при их репродуцировании;
– определить эффективность приёма чеканки растений в агротехнике семеноводства новых сортов и гибридов, как фактора, увеличивающего коэффициент размножения семян;
– установить результативность использования в семеноводстве новых сортов и гибридов средств защиты растений (протравителей, гербицидов), десикантов и регулятора роста.
Научная новизна. Дано целостное представление о селекционно-генетических аспектах процесса формирования качественно нового исходного материала для создания безнаркотических форм однодомной конопли. Показаны основные направления и способы селекционного улучшения хозяйственно ценных признаков вида Cannabis sativa L. на современном этапе.
Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена эффективность рекуррентного отбора генотипов на снижение содержания комплекса основных каннабиноидов (в т. ч. тетрагидроканнабинола) и улучшение параметров хозяйственно полезных признаков.
Изучен биологический потенциал и выполнена сравнительная оценка современных селекционно-генетических ресурсов вида Cannabis sativa L. в условиях лесостепи Среднего Поволжья.
Установлены особенности процесса каннабиноидообразования у различных экотипов конопли посевной.
Определён характер взаимодействия основных хозяйственно ценных признаков с содержанием тетрагидроканнабинола в перспективных гибридных популяциях. Показано, что преимущественно слабая отрицательная корреляция между основными признаками продуктивности и ТГК позволяет создавать высокопродуктивные формы с элиминированным либо максимально минимизированным признаком наркоактивности растений.
Изучен жирнокислотный состав масла новых сортов и гибридов посевной конопли, выявлены образцы с высоким содержанием полиненасыщенных -, -линоленовых жирных кислот.
Усовершенствована агротехника семеноводства новых форм конопли. Уточнены оптимальные параметры базовых элементов возделывания культуры (способ сева, норма высева). Экспериментально подтверждена эффективность приёма чеканки растений, как низкозатратного фактора увеличения коэффициента размножения семян. Изучена результативность десикации растений однодомной конопли современными препаратами.
Определена структура комплекса биотических стрессоров однодомной конопли посевной в лесостепи Среднего Поволжья. Проведены поисковые исследования по изучению эффективности применения на культуре некоторых современных пестицидов. Использование препаратов показало хорошие результаты в подавлении патогенной микрофлоры, формировании устойчивости к ряду распространённых заболеваний, уничтожении сорной растительности и вредителей.
Практическая значимость и реализация результатов исследований. Сформирована рабочая коллекция однодомной посевной конопли, заключающая в себе высокопродуктивные по комплексу признаков сортообразцы, обладающие содержанием ТГК в растениях менее 0,1%.
Создан новый исходный материал однодомной конопли с высокой степенью адаптивности к комплексу биотических и абиотических стрессоров; на последовательных этапах селекционного процесса выделены перспективные популяции со стабильно низким содержанием ТГК в растениях – 0,03-0,07%.
Выведены новые безнаркотические формы конопли посевной, в том числе зеленцового (сорт Вера и гибрид Славянин), двустороннего (сорта Сурская, Надежда и гибрид Маслёнок) направлений использования, которые включены в Государственный реестр селекционных достижений Российской Федерации. На новые сорта и гибриды получено 5 авторских свидетельств и 5 патентов.
Для созданных сортов и гибридов научно обоснованы параметры элементов агротехники их семеноводства, обеспечивающие увеличение урожая семян на 25-45% без снижения качественных показателей. Охарактеризованы особенности схемы семеноводства выведенных сортов и гибридов.
Созданные безнаркотические сорта конопли посевной активно внедряются в коноплесеющие хозяйства Пензенской области, Республики Мордовия, Орловской, Томской, Оренбургской, Тюменской и Новосибирской областей, Алтайского и Краснодарского края на площади около 1,0 тыс. га.
Результаты исследований автора вошли в практические рекомендации «Возделывание среднерусской однодомной конопли в лесостепи Среднего Поволжья».
Основные положения, выносимые на защиту:
селекционная оценка генетических ресурсов мировой коллекции вида Cannabis sativa L.;
формирование нового исходного материала для селекции безнаркотических форм конопли;
изменчивость и корреляционные связи хозяйственно ценных признаков и биологических свойств селекционных сортообразцов и гибридных популяций;
характер наследования ТГК и основных признаков продуктивности у новых форм посевной конопли;
особенности жирнокислотного состава масла новых сортов и гибридов;
реакция новых сортов и гибридов на основные элементы агротехники семеноводства (норму высева, способ сева, приём чеканки);
влияние протравителей, гербицидов, десикантов и регулятора роста растений на количественные и качественные параметры урожая семян новых сортов и гибридов;
особенности семеноводства новых безнаркотических сортов и гибридов посевной конопли в зоне лесостепи Среднего Поволжья.
Апробация работы. Результаты исследований в виде ежегодных отчётов докладывались на заседаниях научно-методического и Учёного совета Пензенского НИИСХ (2001-2011 гг.), на заседаниях президиума Россельхозакадемии и Госнаркоконтроля РФ (Москва, 2002-2004 гг.), выездных заседаниях секции прядильных культур РАСХН (Пензенский НИИСХ, 2002 г., Чувашский НИИСХ, 2003 г.), международных научно-практических конференциях "Селекция против наркотиков" (Краснодарский НИИСХ, 2004 г., Пензенский НИИСХ, 2007 г.), научно-технических советах Департамента растениеводства Министерства сельского хозяйства РФ (Москва, 2006-2009 гг.).
Экспериментальные данные получены автором самостоятельно или при его личном участии, заключавшемся в выборе методов и техники проведения исследований, подборе, создании, оценке исходного и селекционного материала, обработке и интерпретации результатов, формулировании выводов, заключительной оценке и передаче на допуск к использованию новых сортов и гибридов посевной конопли.
Публикация результатов исследований. Основные положения диссертации опубликованы в 35 научных работах, 11 из которых в изданиях по перечню, рекомендованному ВАК РФ, и 5 представлены патентами на селекционные достижения.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, выводов, рекомендаций для практической селекции и семеноводства, списка цитируемой литературы, включающего 307 источников, в том числе 44 на иностранных языках. Работа изложена на 288 страницах текста компьютерного набора, содержит 48 таблиц, 21 рисунок, 50 приложений, включающих авторские свидетельства и патенты РФ на селекционные достижения.
Диссертационная работа выполнена в Государственном научном учреждении Пензенский научно-исследовательский институт сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук. В работе обобщены экспериментальные материалы и результаты исследований автора, проведённых в 2001-2011 годах по выполнению тематического плана научно-исследовательских работ РАСХН по проблемам: 14.01 "Создать сорта безнаркотической однодомной конопли среднерусского типа с пониженным содержанием каннабиноидных соединений", 14.02 "Разработать научно-обоснованные ресурсосберегающие технологии семеноводства новых сортов однодомной конопли среднерусского типа в условиях лесостепи Поволжья", 14.03 "Разработать основные элементы агротехники новых сортов однодомной конопли среднерусского типа в условиях лесостепи Среднего Поволжья" 04.12 "Установить оптимальные параметры элементов агротехники конопли посевной сорта Сурская при возделывании на семена, зеленец и двустороннее использование", разделам 37, 40 "Усовершенствовать методы селекции и семеноводства однодомной среднерусской конопли и на их основе создать безнаркотические сорта конопли различного направления использования" Федеральной целевой программы «Комплексные меры противодействия злоупотреблению наркотиками и их незаконному обороту на 2002-2004 годы», разделу 51 "Создать высокопродуктивные сорта и гибриды среднерусской конопли с содержанием тетрагидроканнабинола менее 0,2 процента с комплексом хозяйственно-ценных свойств" Федеральной целевой программы «Комплексные меры противодействия злоупотреблению наркотиками и их незаконному обороту на 2005-2009 годы».
Выражаю глубокую благодарность и признательность В.В. Кошеляеву – научному консультанту, доктору сельскохозяйственных наук, профессору, А.А. Смирнову – директору ГНУ Пензенский НИИСХ, доктору сельскохозяйственных наук, профессору за помощь и поддержку в процессе подготовки и завершения работы над диссертацией.
Во введении рассматриваются актуальность, научная новизна, практическая значимость работы и основные положения, выносимые на защиту.
В главе проанализирована методология формирования внутривидового разнообразия для создания новых форм культуры и обобщены основные методические приёмы селекции безнаркотической посевной конопли.
Экспериментальная работа выполнена на опытном поле и участках полевых севооборотов ГНУ Пензенский НИИСХ РАСХН в период с 2001 по 2011 годы. Почвы опытных участков представлены чернозёмом выщелоченным тяжело- и среднесуглинистым, среднемощным, pHKCl 5,7-5,8, содержание гумуса 6,4-6,8%, гидролизуемого азота – 60-80 мг, подвижного фосфора – 135-150 мг, обменного калия – 155-170 мг на 1 кг почвы.
Основные агроклиматические показатели периода проведения исследований варьировали по режиму увлажнения и ресурсам тепла (табл.1).
Из 11-летнего периода проведения исследований 6 лет были достаточно увлажнёнными, 3 года – умеренно засушливыми, 1 год характеризовался избыточным увлажнением и один год отличался аномально засушливыми условиями. Контрастные условия вегетаций позволили сформировать широкий спектр генотипов и создать необходимое разнообразие доступной направленному отбору рекомбинационной изменчивости. Это обстоятельство способствовало ускорению селекционного процесса и интенсифицировало темпы создания новых форм однодомной конопли посевной.
Таблица 1 – Характеристика погодных условий
в период проведения исследований (2001-2011 гг.)
Объектами исследований являлись коллекционные образцы (136 шт.) мировой коллекции конопли ВНИИР, сорта однодомной среднерусской (4 шт.), южносозревающей (1 шт.) и двудомной южной (4 шт.) конопли, внесённые в Госреестр селекционных достижений Российской Федерации, созданные в местных условиях гибридные популяции (42 шт.).
В экспериментах использованы методики и схематические модели, общепринятые в селекционных, научно-исследовательских учреждениях и Государственном сортоиспытании.
Селекционный процесс осуществляли по общепринятой для культуры схеме. Основной метод – кроссбридинг ценных по отдельным признакам и свойствам эколого-географических форм и многократный семейственно-групповой отбор по комплексу селекционных признаков. За основной лимитирующий фактор принято содержание ТГК в растениях – менее 0,1%. В элитных растениях перспективных селекционных образцов этот показатель не превышал 0,05%. Селекционную оценку коллекционных сортообразцов конопли проводили в соответствии с «Методическими указаниями по изучению коллекции конопли» (1989).
В качестве родительских форм для гибридизации использовались выделенные по комплексу хозяйственно полезных признаков коллекционные образцы и безнаркотические селекционные сорта двудомной южной (Зеница, Кубанская ранняя, Пава, Славянка) и однодомной среднерусской (Антонио, Диана, Ингреда, Юлиана) конопли.
Создание новых сортов (гибридов) однодомной конопли посевной проводили с применением направленного многократного отбора с индивидуальной оценкой признаковых характеристик отобранных растений в последовательных поколениях. Отбор велся по комплексу основных хозяйственно ценных признаков. В начале применяли принцип учёта фенотипических различий половых типов конопли. Для закрепления однодомности отбирали идеальные однодомные растения, все нежелательные морфотипы (двудомные матёрка, посконь и маскулинизированные типы однодомной поскони и матёрки) удаляли из популяции до цветения.
Учёт и браковку растений, подверженных поражению распространёнными в регионе вредителями и болезнями проводили по степени их проявления. Устойчивость к полеганию и абиотическим стрессорам определяли перед уборкой.
Окончательная оценка селекционного материала и отбор элитных растений проводилась по результатам морфометрического и технологического анализа количественных и качественных параметров урожая семян и стеблей.
С целью предотвращения чужеопыления семена отобранных элитных растений высевали в селекционных питомниках разных уровней с пространственной изоляцией от других посевов не менее 2-х км на местности с наличием разделительных лесополос.
Материалом для исследований служили гибридные популяции от скрещивания перспективных коллекционных сортообразцов, а также южных двудомных () и среднерусских однодомных () селекционных сортов конопли.
Участки гибридизации и селекционные питомники размещались на полях полевых севооборотов Пензенского НИИСХ по озимым зерновым и чистому пару. Закладка питомников гибридизации и изучение селекционных образцов проведены в соответствии с «Методическими указаниями по селекции конопли и производственной проверке законченных НИР» (1980) и методическими указаниями «Изучение коллекции конопли» (1989).
Питомник конкурсного сортоиспытания закладывался по методике Госсортсети (1985).
В гибридных и селекционных питомниках до начала цветения проводили негативный отбор по результатам экспресс-диагностики растений на содержание каннабиноидов.
В полевых условиях, начиная с фазы бутонизации, выполняли шестивосьмикратные браковки растений по половой дифференциации и комплексу морфометрических признаков.
Сбор соцветий на анализ каннабиноидов проводили в фазу бутонизации, до начала цветения растений.
Идентификация и определение содержания основных каннабиноидов методом тонкослойной хроматографии (ТСХ) выполняли согласно «Методическим указаниям по оценке содержания тетрагидроканнабинола в растениях конопли методом тонкослойной хроматографии» (2004).
Определение количественного содержания каннабиноидов выполняли методом газожидкостной хроматографии (ГЖХ), согласно методическим рекомендациям «Определение вида наркотических средств, получаемых из конопли и мака» (1995). Анализ проводили на хроматографе «Кристалл 2000 М». Идентификацию пиков проводили по времени удерживания.
Количественную обработку хроматограмм выполняли по площадям пиков с применением компьютерной программы «Хроматэк Аналитик 2,5». Количество аналитических проб – 2. Расчёт количественного содержания ТГК, КБД и КБН проводили методом внутреннего стандарта. В качестве внутреннего стандарта использовали 0,5%-ный раствор метилстеарата в этаноле.
Содержание масла в семенах селекционных образцов и сортов определяли по методу Лебедянцева - Раушковского (1961).
Для определения состава высокомолекулярных жирных кислот (ВЖК) конопляное масло получали по ГОСТ Р 51 483–99. Метиловые эфиры жирных кислот получали по ГОСТ Р 51 486–99.
Идентификацию и определение содержания ВЖК выполняли методом газожидкостной хроматографии. Разделение метиловых эфиров проводили на хроматографе «Кристалл 5000.1».
Идентификацию пиков проводили по времени удерживания. Для идентификации жирных кислот использовали стандарты – метиловые эфиры фирмы «Sigma».
Количественную обработку хроматограмм проводили по площадям пиков с применением компьютерной программы «Хроматэк Аналитик 2.5». Количество аналитических проб – 2. Расчёт количественного содержания ВЖК проводили методом процентной нормализации по площади.
Статистическую обработку экспериментальных данных проводили по Б.А. Доспехову (1985) с использованием пакета прикладных программ "Аgros 2.01". Исследования взаимосвязей количественных признаков проводили согласно «Методам корреляционных плеяд» (Терентьев П.В., 1959).
Для совершенствования агротехники семеноводства новых сортов (гибридов) среднерусской конопли в 2007-2010 гг. проводились исследования:
а) по подбору оптимальных параметров способов сева и норм высева;
б) по изучению эффективности чеканки растений;
в) по изучению эффективности препаратов (протравителей, гербицидов, десикантов, регулятора роста) и установлению оптимальных доз их применения.
Схема опытов приведена в таблицах 2 и 3.
Таблица 2 – Схема опыта по подбору оптимальных норм высева,
способов сева и изучению чеканки (2006-2010 гг.)
Таблица 3 – Схема опыта по изучению протравителей, гербицидов,
десикантов и регулятора роста (2006-2009 гг.)
Гербициды
Десиканты
При закладке опытов руководствовались «Методическими указаниями по проведению полевых и вегетационных опытов с коноплёй» (1980).
Объект исследований – семена и растения безнаркотической однодомной конопли сорта Сурская, гибридов Славянин и Маслёнок. Повторность 3-х кратная. Общая площадь опыта 0,81 га. Чеканку растений выполняли механическим способом (подкашиванием верхушек растений) в фазу 3-х пар листьев.
Опыт по испытанию препаратов (протравителей, гербицидов, десикантов и регулятора роста) и поиску оптимальных норм их применения проводился в соответствии с «Методическими указаниями по полевому испытанию пестицидов в растениеводстве» (1981).
Обработку посевного материала препаратами проводили вручную (за день до посева), путем встряхивания в круглодонной колбе (2 л) суспензии препарата с семенами в течение 5 минут. При использовании регулятора роста применялось замачивание семян с просушиванием в тени.
Опрыскивание растений конопли проводили с помощью ручного ранцевого опрыскивателя «Kwazar» со щелевым распылителем.
В опытах выполнялись общепринятые наблюдения, учёты и анализы, в том числе:
– наблюдения за температурой и осадками в течение периода вегетации;
– фенологические наблюдения по методике ВНИИЛК (1978);
– определение густоты стеблестоя в фазу массовых всходов и перед уборкой;
– определение содержания тетрагидроканнабинола, каннабидиола и каннабинола в фазу «бутонизация - начало цветения»;
– учёт содержания обычной поскони в посеве в фазу массового цветения;
– учёт засорённости посевов в опыте с использованием гербицидов;
– определение морфометрических характеристик растений в фазу начала созревания семян;
– учёт урожая методом пробного снопа с учётной площади в фазу массового созревания семян;
– анализ структуры урожая семян и стеблей по методике ВНИИЛК (1978, 1983);
– анализ содержания тетрагидроканнабинола, каннабидиола и каннабинола методом газожидкостной хроматографии;
– анализ посевных качеств семян (ГОСТ Р 52325–2005);
– анализ содержания масла в семенах по методу С.В. Раушковского;
– статистическая обработка экспериментальных данных методом дисперсионного анализа по Б.А. Доспехову (1985).
