Содержание к диссертации
Введение
1. Повышение продуктивности культуры риса 18
1.1. Использование гетерозисного эффекта: успешный опыт
и перспективные направления работ .19
1.2.Производство гибридов в Китае .20
1.3. Причины, сдерживающие развитие гибридного риса .24
1.4. Гибриды риса, культивируемые за пределами Китая .27
1.5. Разработка методов, снижающих стоимость получения гибридных семян .31
1.6. Получение гибридных семян в странах, не применяющих рассадную технологию 34
1.7. Альтернативные пути использования гетерозисного эффекта 35
1.8. Методы, облегчающие поиск гетерозисных гибридных комбинаций 40
1.9. Природа гетерозисисного эффекта .43
1.10. Использование гетерозиса межподвидовых гибридов в селекции риса .50
1.11. Повышение продуктивности межподвидовых гибридов риса .51
1.12. Сорта доноры генов WC .57
1.13. Корректное отнесение образцов к подвидам indica и japonica .59
1.14. Физиологический базис гетерозиса и высокой продуктивности, наследование признаков их определяющих у риса 62
1.15. Возможность повышения урожайности риса за счет изменения фотосинтетического потенциала агрофитоценоза 71
1.15.1. Вариабельность фотосинтетической активности между
видами и подвидами риса 76
1.15.2. Роль фотосинтетической активности соцветия в формировании урожая 78
1.15.3. Взаимосвязь фотосинтетических признаков с продуктивностью..80
1.15.4. Перспективы повышения фотосинтетического потенциала культуры посредством создания растений риса с C4 типом фотосинтеза 81 1.15.5. Наследование признаков определяющих эффективность фотосинтеза 83
1.15.6.Хлорофильные мутации 84
1.16. Физиологические признаки, обеспечивающие адаптивность
к абиотическим стрессам 92
1.16. 1. Устойчивость риса к влиянию высоких температур .94
1.16.2. Устойчивость к засолению у риса .99
2. Условия материал и методика исследований 111
2.1. Почвенно-климатические условия .111
2.2. Материал и методы исследований 113
2.2.1. Изучение влияния различных доз минерального
питания и засоления .115
2.2.2. Методики изучения эффективности фотосинтеза отдельного листа 116
2.2.3. Методика проведения исследований по влиянию высоких температур на продуктивность образцов риса 118
2.2.4. Анализ озерненности гибридов между образцами, относимыми к разным подвидам .121
2.2.5. Маркирование сортов риса проводили с использованием SSR маркеров .122
3. Результаты и обсуждение. Повышение продуктивности культуры риса 124
3.1. Отзывчивость гетерозисных гибридов на уровень минерального питания 124
3.2. Взаимосвязь скорости роста на начальных этапах развития с продуктивностью растений 126
3.3. Скорость роста зародышевого корня и стебля у сортов и гибридов риса .130
3.4. Величина гетерозиса по скорости роста зародышевого корня и стебля (колеоптиля) .132
3.5. Генетика признака скорость роста колеоптиля у проростков риса 137
3.6. Генетика признака скорость роста зародышевого корешка у проростков риса 139
3.7. Возможность повышения урожайности риса за счет изменения фотосинтетического потенциала агрофитоценоза 141
3.7.1. Вариабельность относительного содержания хлорофилла у образцов риса в течении дня .142.
3.7.2. Межсортовая вариабельность по относительному содержанию хлорофилла у коллекционных образцов, источников ценных признаков... 143
3.7.3. Сравнительный анализ вариабельности общего содержания
хлорофилла у сортов отечественной, итальянской и китайской селекции
риса при измерении его с помощью прибора Chlorofhyll meter (SPAD 502) .146
3.7.4. Сравнительный анализ содержания пигментов у сортов отечественной, итальянской и китайской селекции с использованием спектрофотометра149
3.7.5. Сравнительный анализ генетического полиморфизма по удельной поверхностной плотности листа 160
3.7.6. Сравнительный анализ генетического полиморфизма по скорости фотосинтеза и концентрации внутриклеточного СО2 у коллекционных образцов риса 163
3.7.7. Оценка генетического полиморфизма по признаку «количество хлоропластов» .166
3.7.8. Кластеризация сортов по вкладу генетической системы определяющей эффективность фотосинтеза 167
3.7.9. Воздействие стрессовых факторов на содержание пигментов у риса 172
3.7.10. Вариабельность относительного содержания хлорофилла в зависимости от фазы развития и условий выращивания 179
3.7.11. Взаимосвязь эффективности работы фотосинтетического аппарата с адаптивностью образцов и стабильностью получаемых урожаев 182
3.7.12. Разработка методики ранней диагностики высокопродуктивных форм 186
3.7.13. Наследование признака «продолжительность работы листовой поверхности листа» у риса .188
3.7.14. Наследование признаков определяющих морфотип растения и архитектонику стеблестоя .192
3.7.14. 1.Наследование признаков, определяющих угол наклона листа у риса 192
3.7.14. 2. Генетика признака выход метелки у риса 196
3.7.14.3. Наследования признаков, определяющих размеры флагового листа 200
3.7.14. 4. Наследование признака "длина флагового листа" 201
3.7.14. 5. Наследование признака "ширина флагового листа" .202
3.7.15 Наследование признаков, определяющих содержание пигментов 204
3.7.16. Гибридологический анализ признаков, определяющих содержание пигментов 205
3.7.17. Корреляционные связи между признаками, определяющими содержание пигментов .209
3.7.18. Генетическая система признаков, определяющих морфотип и фотосинтетическую активность растений риса .211
3.7.19. Полиморфизм российских сортов по локусам, определяющим интенсивность фотосинтеза в фазу созревания 212 3.8. Физиологические признаки, обеспечивающие адаптивность к абиотическим стрессам 215
3.8.1.1 Анализ изменений температуры воздуха в период вегетации риса по данным метеостанции п.Белозерный 216
3.8.1.2. Физиологические аспекты влияния высоких температур на продуктивность риса .220
3.8.1.3. Внутрисортовая специфика по устойчивости к высоким температурам у отечественных сортов риса 225
3.8.1.4. Выделение линий устойчивых к стрессовому фактору .231
3.8.1.5. Взаимосвязь между устойчивостью к фактору и стабильностью 233
3.8.1.6. Воздействие высоких температур в фазу кущения .234
3.8.1.7. Воздействие высоких температур в начальные фазы вегетации 237
3.8.1.8. Наследование признака устойчивости к высоким температурам 240
3.8.1.9. Взаимосвязь между устойчивостью к фактору и продуктивностью 246
3.8.2. Устойчивость риса к засолению .249
3.8.2.1. Генетические системы, обеспечивающие устойчивость засолению у риса 250
3.8.2.2. Воздействие засоления в фазу проростков .251
3.8.2.3. Воздействие фактора «засоление» в фазу цветения .264
3.8.2.4. Генетический полиморфизм систем адаптивности к засолению у российских сортов риса различных групп спелости .265
3.8.2.5. Генетический полиморфизм систем аттракции, адаптивности и микрораспределений продуктов фотосинтеза у перспективных образцов риса .267
3.8.2.6. Разделение коллекционных образцов согласно реакции на стрессовое воздействие по комплексу признаков для дальнейшего выделения доноров с различным механизмом формирования признака 273
3.8.2.7. Разделение сортов отечественной селекции согласно реакции на стрессовое воздействие по комплексу признаков 288
3.8.2.8. Молекулярное маркирование российских сортов риса с использованием маркеров, сцепленных с признаками, определяющими устойчивость к абиотическим стрессам 298
3. 9. Совершенствование методов селекции на гетерозис .302
3.9.1. Использование культуры пыльников для закрепления гетерозисного эффекта у гибридов риса по методу В.А. Струнникова 303
3.9.2. Селективная элиминация аллелей в культуре пыльников .312
3.9.3. Модифицированная методика закрепления гетерозиса гибридов в последующих поколениях 319
3.10. Использование гетерозиса межподвидовых гибридов 325
3.10.1. Анализ озерненности гибридов между образцами, относимыми к разным подвидам 326
3.10.2. Корректное отнесение образцов к подвидам indica и japonica 330
3.10.3. Маркирование российских сортов риса и доноров генов широкой совместимости, с использованием SSR маркеров связанных с признаком 333
3.10.6. Характеристика полученного исходного материала с генами широкой совместимости WC 336
3.11. Характеристика сортов переданных на Госсортоиспытание .340
3.11.1. Сорт Ивушка .341
3.11.2. Сорт Привольный – 4 343
3.11.3. Сорт Крепыш .345
3.11.4. Сорта с окрашенным перикарпом (Мавр и Гагат) 347
3.11.5. Результаты госсортоиспытания 353
Выводы .357
Рекомендации для селекционной практики 363
Список использованной литературы
- Использование гетерозиса межподвидовых гибридов в селекции риса
- Методики изучения эффективности фотосинтеза отдельного листа
- Скорость роста зародышевого корня и стебля у сортов и гибридов риса
- Разделение коллекционных образцов согласно реакции на стрессовое воздействие по комплексу признаков для дальнейшего выделения доноров с различным механизмом формирования признака
Введение к работе
Актуальность работы. Потенциал увеличения посевных площадей под
рисом в большинстве стран исчерпан. Следовательно, только повышение
урожайности может способствовать росту валовых сборов зерна. Практика
селекции показала, что основные пути повышения урожайности культур:
изменение морфотипа, применение гетерозиса и увеличение
фотосинтетических показателей отдельного листа (Yuan L.P., 2002; Peng S., 2000). Однако, только изменение морфотипа дает лимитированное увеличение урожайности, также как и использование гетерозисного эффекта без улучшения морфотипа (Yang J., 2002 Pend S., 1998). Применение новых селекционных технологий (как, например, генной инженерии) должно комбинироваться с хорошими морфологическими характеристиками и высоким гетерозисом, причем не по одному, а, как минимум, по ряду признаков, в том числе физиологических, определяющих продуктивность и адаптивность, в противном случае они не принесут значимого вклада в урожай.
Для успешного создания гетерозисных гибридов необходимо
комплексное изучение селекционного материала. Выделение доноров и источников эффективной работы генетических систем, определяющих адаптивность и продуктивность родительских форм создаваемых гибридов, изучение наследования признаков их определяющих, обеспечит возможность прогнозирования величины признака при объединении в генотипе гибрида наиболее эффективно работающих аллелей вышеперечисленных генов.
Применение гибридного риса позволяет перешагнуть барьер повышения
продуктивности культуры. Однако использование технологии получения
гибридного риса, практикуемой в других странах, не может быть экономически
оправдано в России. Фиксирование комплексов генов, определяющих
гетерозисный эффект позволит создавать на основе генотипов гетерозисных гибридов сорта с аналогичной урожайностью, и при гибридизации этих сортов получить новое поколение гибридов с еще более высоким потенциалом продуктивности.
Цель исследований. Целью наших исследований являлось изучение
генетического и физиологического базиса гетерозиса, наследования и
полиморфизма признаков, определяющих его проявление, разработка методов фиксирования комплексов генов, определяющих гетерозисный эффект.
Задачи исследований. В соответствии с этим были поставлены следующие задачи:
изучить отзывчивость гетерозисных гибридов на уровень минерального питания, полиморфизм и наследование признаков, характеризующих скорость роста зародышевого корня и стебля у сортов и гибридов риса;
провести сравнительный анализ вариабельности относительного содержания хлорофилла, пигментов, удельной поверхностной плотности листа, скорости
фотосинтеза и концентрации внутриклеточного СО2, количества хлоропластов коллекционных образцов риса и кластеризацию сортов риса по вкладу генетической системы, определяющей эффективность фотосинтеза;
- изучить вариабельность относительного содержания хлорофилла в
зависимости от фазы развития и условий выращивания;
провести анализ наследования признаков, определяющих эффективность фотосинтеза, обосновать включение генетической системы признаков, определяющей эффективность фотосинтеза в перечень генетических систем формирующих изменчивость количественных признаков растений;
выявить полиморфизм российских сортов по SSR маркерам, связанным с локусами, определяющими интенсивность фотосинтеза в фазу созревания;
- изучить внутри и межсортовую сортовую специфику по устойчивости к
высоким температурам отечественных сортов риса в различные фазы
вегетации, выделить линии, устойчивые к этому стрессовому фактору;
- изучить наследование признака устойчивость к высоким температурам и
взаимосвязь между адаптивностью к фактору и продуктивностью;
- изучить генетический полиморфизм систем адаптивности к засолению
российских сортов риса различных групп спелости, разделить коллекционные
образцы риса согласно реакции на стрессовое воздействие по комплексу
признаков, для дальнейшего выделения доноров с различным механизмом
формирования признака;
провести молекулярное маркирование сортов риса с использованием SSR маркеров, связанных с признаками, определяющими устойчивость к абиотическим стрессам;
создать исходный материал с генами широкой совместимости для получения фертильных межподвидовых гибридов, изучить корректность отнесения российских сортов риса к подвиду indica;
-оценить эффективность использования культуры пыльников для закрепления
гетерозисного эффекта гибридов риса по методу Струнникова В.А.,
усовершенствовать методы фиксации комплексов генов, определяющих
гетерозисный эффект, создать сорта риса с использованием методик закрепления гетерозисного эффекта.
Научная новизна исследований
изучен полиморфизм и наследование ряда признаков, определяющих физиологический базис гетерозиса: отзывчивость гетерозисных гибридов на уровень минерального питания, скорость роста зародышевого корня и стебля у сортов и гибридов риса, эффективность фотосинтеза;
обосновано включение генетической системы признаков, определяющей эффективность фотосинтеза в перечень генетических систем формирующих изменчивость количественных признаков растений, сорта риса кластеризованы по вкладу генетической системы определяющей эффективность фотосинтеза, изучена вариабельность относительного содержания хлорофилла в зависимости от фазы развития и условий выращивания;
- выявлен полиморфизм российских сортов по SSR маркерам, связанным с
локусами, определяющими интенсивность фотосинтеза в фазу созревания;
изучена меж- и внутрисортовая специфика и наследование устойчивости к высоким температурам отечественных сортов риса в различные фазы вегетации, выделены линии, адаптивные к стрессовому фактору;
установлена взаимосвязь между устойчивостью к высоким температурам и продуктивностью, влияние цитоплазмы на устойчивость гибрида к воздействию высокой температуры;
- выявлен генетический полиморфизм систем адаптивности к засолению у
российских сортов риса различных групп спелости, выделены образцы,
основной механизм солеустойчивости в фазу цветения, которых – снижение
поступления солей в репродуктивные органы, коллекционные образцы риса
кластеризованы согласно реакции на стрессовое воздействие;
проведено молекулярное маркирование сортов риса с использованием SSR маркеров, связанных с признаками, определяющими устойчивость к абиотическим стрессам (засолению, низким температурам);
установлена необходимость включения в перечень признаков, на основании которых проводиться разделение отечественных образцов на подвиды indica и japonica, дополнительных характеристик для сокращения числа некорректно отнесенных образцов, создан исходный материал с генами широкой совместимости для получения фертильных межподвидовых гибридов;
- впервые на растительном объекте показана эффективность метода
закрепления гетерозиса гибридов в последующих поколениях, предложенного
Струнниковым В.А., на организменном и молекулярном уровнях, разработана
и запатентована модифицированная методика закрепления гетерозиса
гибридов в последующих поколениях, созданы сорта риса с ее
использованием.
Практическая ценность работы и реализация результатов исследований.
Полученные данные по генетическому контролю признаков,
определяющих эффективность фотосинтеза, скорость роста, морфотип, устойчивость к высоким температурам, засолению, выделенные доноры и источники в дальнейшем будут использованы в селекции новых сортов риса с улучшенными характеристиками по перечисленным признакам.
Включение генетической системы признаков, определяющей
эффективность фотосинтеза в перечень генетических систем, формирующих
изменчивость количественных признаков, позволит более эффективно
использовать создаваемые базы данных по вкладам генетических систем в продуктивность образцов.
Выявленный полиморфизм российских сортов по SSR маркерам,
связанным с локусами, определяющими хозяйственно ценные признаки,
позволяет вести эффективную маркерную селекцию на изученные признаки, в том числе проводить интрогрессию ценных аллелей из выявленных доноров в перспективные сорта риса.
Разработанные методики выделения высокопродуктивных растений на ранних этапах развития, основанные на контроле вклада двух генетических систем: скорости роста на ранних этапах развития и содержания пигментов, позволят значительно сократить трудоемкость отборов в гибридных комбинациях, и гетерозисных комбинаций среди гибридного материала в традиционной и гетерозисной селекции.
Полученные данные о внутрисортовом полиморфизме позволят
предотвратить снижение продуктивности сортов при высоких температурах
путем отбора семей, минимально снижающих продуктивность при
воздействии фактора.
Выявленное в пошаговом анализе минимальное количество признаков, позволяющих достоверно разделить образцы на группы согласно реакции на стресс, позволит проводить кластеризацию сортов с различным механизмом устойчивости к засолению с минимальными затратами.
Установленная необходимость включения в перечень признаков, на
основании которых проводится разделение отечественных образцов на подвиды
indica и japonica дополнительных характеристик позволит достоверно
разделять образцы на подвиды.
Показанная эффективность метода закрепления гетерозиса гибридов в последующих поколениях, предложенного Струнниковым В.А., подтверждает его теорию о природе гетерозисного эффекта.
Разработанная и запатентованная модифицированная методика
закрепления гетерозиса гибридов в последующих поколениях может быть использована для экспрессного создания сортов различных культур.
Научная и практическая значимость разработанных и
усовершенствованных методов создания исходного материала и селекции подтверждается созданием на их основе сортов риса: длиннозерный - Ивушка, крупнозерный – Крепыш, среднезерный – Привольный - 4, среднезерный с окрашенным перикарпом (черный) - (Мавр), длиннозерный с окрашенным перикарпом (черный) - (Гагат), короткозерный с окрашенным перикарпом (красный) - (Рыжик).
Основные положения выносимые на защиту:
- отзывчивость гетерозисных гибридов риса на уровень минерального
питания, полиморфизм и наследование признаков, характеризующих скорость
роста зародышевого корня и стебля у сортов и гибридов риса;
включение генетической системы признаков, определяющей эффективность фотосинтеза в перечень генетических систем, формирующих изменчивость количественных признаков, кластеризация сортов риса по вкладу генетической системы, определяющей эффективность фотосинтеза;
вариабельность общего содержания хлорофилла, пигментов, удельной поверхностной плотности листа, скорости фотосинтеза и концентрации внутриклеточного СО2, количества хлоропластов у коллекционных образцов риса, наследование признаков, определяющих эффективность фотосинтеза;
вариабельность относительного содержания хлорофилла в зависимости от фазы развития и условий выращивания;
полиморфизм российских сортов по SSR маркерам, связанным с локусами, определяющими интенсивность фотосинтеза в фазу созревания;
устойчивость российских сортов к высоким температурам в различные фазы вегетации, внутрисортовая специфика по устойчивости к высоким температурам отечественных сортов риса;
наследование признака устойчивость к высоким температурам и взаимосвязь между адаптивностью к фактору и продуктивностью;
- генетический полиморфизм систем адаптивности к засолению российских
сортов риса различных групп спелости, результаты кластеризации
коллекционных образцов риса согласно реакции на стрессовое воздействие по
комплексу признаков;
- молекулярное маркирование сортов риса с использованием SSR маркеров,
связанных с признаками, определяющими устойчивость к абиотическим
стрессам;
- эффективность использования культуры пыльников для закрепления
гетерозисного эффекта гибридов риса по методу Струнникова В.А.;
- усовершенствованная методика фиксации комплексов генов, определяющих
гетерозисный эффект;
характеристика исходного материала с генами широкой совместимости для получения фертильных межподвидовых гибридов, методика отнесения российских длиннозерных сортов к подвидам риса.
результаты создания сортов риса с использованием методик закрепления гетерозисного эффекта.
Апробация работы. Основные результаты и выводы диссертационной
работы докладывались на ежегодных отчетно-плановых сессиях ВНИИ риса
(1990-2013 гг.), Международной научно-практической конференции
«Генетические ресурсы культурных растений» (Санкт-Петербург, 2001 г.),
Менделевском конгрессе (Брно, 2000 г.), Симпозиуме «Генетические ресурсы
и селекция риса для стран с умеренным климатом» (Краснодар, 2001г.); 4-ом
Международном симпозиуме по гибридному рису (Ханой, Вьетнам, 2002 г.); 2-
ой конференции Московского общества генетиков и селекционеров (Москва,
2003г.); конференциях грантодержателей регионального конкурса РФФИ и
администрации Краснодарского края «Юг России» «Вклад фундаментальных
исследований в развитие современной инновационной экономики
Краснодарского края» (с 2003 по 2010 гг.); Второй конференции московского
общества генетиков и селекционеров им. Вавилова, посвященной 115- летию со
дня рождения академика Н.И. Вавилова (Москва, 2003г); Третьем съезде
генетиков и селекционеров России «Генетика в 21 веке: современное состояние
и перспективы развития» (Москва, 2004г); Международной конференции
«Интеграция науки и технологии для устойчивого развития растениеводства»
(Бангкок, 2008); Международном симпозиуме «Новые и нетрадиционные
растения и перспективы их использования» (Москва, 1999 г., 2001 г., 2003 г.,
2005 г., 2007 г., 2008 г., 2009 г.); Международных симпозиумах
«Нетрадиционное растениеводство. Селекция. Эниология. Экология и
здоровье» (Симферополь, 1999 г., 2000 г., 2001 г., 2003 г., 2007 г., 2008 г., 2009
г., 2011 г.); 6 и 7 международных симпозиумах по генетике риса (Манила, 2009
г., 2013 г.); Пятом съезде ВОГИС (Москва, 2009 г.); Международной
конференции «Гетерозис у растений» (Штутгарт, Германия, 2009 г.); Третьем международном симпозиуме по рису (Ханой, 2010 г.); 6 симпозиуме по гибридному рису (Индия, Хайдеробад, 2012 г.); Международной конференции «Молекулярное маркирование и маркерная селекция» (Австрия, Вена, 2012 г.); Международной конференции «Устойчивость растений к абиотическим стрессам» (Австрия, Вена, 2012 г.).
Работа поддержана 8 грантами РФФИ и Департамента науки и образования Краснодарского края: № 03-04-96582, № 03-04-96763, № 06 -04-96705, № 06 -04-96639, № 09-04-96597, № 09-04-96585, № 11-04-96534, № 13-04-96532 .
Публикация результатов исследований. Основные результаты
исследований опубликованы в 120 работах, общим объемом более 100
печатных листов, из них 27 работ в изданиях рекомендованных ВАК, 13 – на
английском языке, в том числе главы в книгах «Гибридный рис для
обеспечения пищевой безопасности, борьбы с бедностью и защиты
окружающей среды» (Hybrid rice for food security, poverty alleviation, and
environmental protection, 2003 г.) и «Ускорение развития технологии получения
гибридного риса» (Accelerating Hybrid rice development, 2010 г.), изданных
Международным институтом риса (Филиппины); 2 монографиях
«Использование культуры пыльников в селекции риса», «Вариабельность, наследование и связь с продуктивностью признаков, определяющих эффективность фотосинтеза у риса», Краснодар, 2013 г., получено 3 авторских свидетельства на сорта риса, 4 патента на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 418 страницах машинописного текста и состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов и рекомендаций для селекции и производства, списка использованной литературы и приложения. Экспериментальный материал представлен в виде 169 таблиц, 107 рисунков. Список использованной литературы включает 424 источника, из них 226 на иностранных языках.
Использование гетерозиса межподвидовых гибридов в селекции риса
Применение гибридного риса позволяет переодолеть барьер повышения продуктивности культуры. Несмотря на то, что генетический и физиологический базис гетерозиса до сих пор дискутируется, многие морфологические и физиологические признаки, ответственные за его проявление известны. Фиксирование комплексов генов, определяющих гетерозисный эффект, позволит создавать на основе генотипов гетерозисных гибридов сорта с аналогичной урожайностью, и при гибридизации этих сортов получить новое поколение гибридов с еще более высоким потенциалом продуктивности.
Исследования проводили в соответствии с заданиями государственных и ведомственных программ НИР по проблеме 0.51.15 (номер госрегистрации 880015414) и (номер госрегистрации 01880015403).
Цели и задачи исследований. Целью наших исследований являлось изучение генетического и физиологического базиса гетерозиса, наследования и полиморфизма признаков, определяющих его проявление, разработка методов фиксирования комплексов генов, определяющих гетерозисный эффект. В соответствии с этим были поставлены следующие задачи: - изучить отзывчивость гетерозисных гибридов на уровень минерального питания, полиморфизм и наследование признаков, характеризующих скорость роста зародышевого корня и стебля у сортов и гибридов риса; - провести сравнительный анализ вариабельности относительного содержания хлорофилла, пигментов, удельной поверхностной плотности листа, скорости фотосинтеза и концентрации внутриклеточного СО2, количества хлоропластов коллекционных образцов риса и кластеризацию сортов риса по вкладу генетической системы, определяющей эффективность фотосинтеза; - изучить вариабельность относительного содержания хлорофилла в зависимости от фазы развития и условий выращивания; - провести анализ наследования признаков, определяющих эффективность фотосинтеза, обосновать включение генетической системы признаков, определяющей эффективность фотосинтеза в перечень генетических систем формирующих изменчивость количественных признаков растений; - выявить полиморфизм российских сортов по SSR маркерам, связанным с локусами, определяющими интенсивность фотосинтеза в фазу созревания; - изучить внутри и межсортовую сортовую специфику по устойчивости к высоким температурам отечественных сортов риса в различные фазы вегетации, выделить линии, устойчивые к этому стрессовому фактору; - изучить наследование признака устойчивость к высоким температурам и взаимосвязь между адаптивностью к фактору и продуктивностью; - изучить генетический полиморфизм систем адаптивности к засолению российских сортов риса различных групп спелости, разделить коллекционные образцы риса согласно реакции на стрессовое воздействие по комплексу признаков, для дальнейшего выделения доноров с различным механизмом формирования признака; - провести молекулярное маркирование сортов риса с использованием SSR маркеров, связанных с признаками, определяющими устойчивость к абиотическим стрессам; - создать исходный материал с генами широкой совместимости для получения фертильных межподвидовых гибридов, изучить корректность отнесения российских сортов риса к подвиду indica; -оценить эффективность использования культуры пыльников для закрепления гетерозисного эффекта гибридов риса по методу Струнникова В.А., усовершенствовать методы фиксации комплексов генов, определяющих гетерозисный эффект, создать сорта риса с использованием методик закрепления гетерозисного эффекта.
Научная новизна исследований - изучен полиморфизм и наследование ряда признаков, определяющих физиологический базис гетерозиса: отзывчивость гетерозисных гибридов на уровень минерального питания, скорость роста зародышевого корня и стебля у сортов и гибридов риса, эффективность фотосинтеза; - обосновано включение генетической системы признаков, определяющей эффективность фотосинтеза в перечень генетических систем формирующих изменчивость количественных признаков растений, сорта риса кластеризованы по вкладу генетической системы определяющей эффективность фотосинтеза, изучена вариабельность относительного содержания хлорофилла в зависимости от фазы развития и условий выращивания; - выявлен полиморфизм российских сортов по SSR маркерам, связанным с локусами, определяющими интенсивность фотосинтеза в фазу созревания; - изучена меж и внутрисортовая специфика и наследование устойчивости к высоким температурам отечественных сортов риса в различные фазы вегетации, выделены линии адаптивные к стрессовому фактору; - установлена взаимосвязь между устойчивостью к высоким температурам и продуктивностью, влияние цитоплазмы на устойчивость гибрида к воздействию высокой температуры; - выявлен генетический полиморфизм систем адаптивности к засолению у российских сортов риса различных групп спелости, выделены образцы, основной механизм солеустойчивости в фазу цветения, которых – снижение поступления солей в репродуктивные органы, коллекционные образцы риса кластеризованы согласно реакции на стрессовое воздействие; - проведено молекулярное маркирование сортов риса с использованием SSR маркеров, связанных с признаками, определяющими устойчивость к абиотическим стрессам (засолению, низким температурам); - установлена необходимость включения в перечень признаков, на основании которых проводиться разделение отечественных образцов на подвиды indica и japonica, дополнительных характеристик для сокращения числа некорректно отнесенных образцов, создан исходный материал с генами широкой совместимости для получения фертильных межподвидовых гибридов;
Методики изучения эффективности фотосинтеза отдельного листа
Основное внимание на данном этапе уделяется расширению посевных площадей гибридов на севере Китая (4,5 млн. га), где главным образом выращивается рис японского подвида и гибриды занимают только 10 % посевных площадей. Отмечен недостаток в получении гетерозисных комбинаций подвида japonica, адаптированных к северу Китая, а также повышения качества и уменьшения периода вегетации существующих гибридов, а также внедрение межподвидовых гибридов (Ma Guohui, Yuan Longping, 2002;Yuan Longping, 2012).
В настоящее время реализован только один гибрид подвида japonica на национальном и 8 на региональном уровне. У лучшего из них Yongyou 12 в 2011 году на площади 6,6 га зарегистрирована урожайность 13,65 т/га. Максимальная урожайность этого гибрида отмечена в провинции Zhejiang 14,15t/ha. Этот гибрид занимает около 3 % площадей риса подвида japonica в Китае (Cao Liyong, 2012).
Причины, сдерживающие развитие гибридного риса В докладе руководителя программы по гибридному рису (Fan Min, 2012) в Международном институте риса отмечено снижение активности государственного сектора по внедрению гибридов в производство (таблица 5). Таблица 5 - Тенденции развития гибридного риса (Fan Min, 2012) Государственный сектор Частный сектор Китай Другие страны Китай Другие страны Исследования - Комерциализация \ Основными причинами, сдерживающими развитие гибридного риса, остаются трудность получения их семян, необходимость повышения устойчивости образцов к болезням и вредителям, и качества зерна, недостаток квалифицированных кадров.
Для получения гибридных семян в Китае и других станах, применяют рассадную технологию. Растения ЦМС линий высаживаются в возрасте 15-25 дней вручную в поле на расстоянии 20 см одно от другого, позднее в 3 срока (для синхронизации цветения) высаживаются опылители. Данную технологию применяют в Азии и для выращивания традиционных сортов. Это позволяет не только сократить количество высеваемых семян на гектар (с 200-250 кг в Росии, до 15 - 20 кг в Азии), но и значительно улучшить экологическую обстановку, так как не приходится использовать гербициды для борьбы с сорняками. Перед посевом растений риса при таком способе производства сорняки уничтожаются полностью при перепахивании, а с вновь вырастающими подросшие растения риса могут успешно конкурировать.
Производство гибридного риса требует систематического, комплексного подхода, более тщательного, чем у сортов, и даже чем у других культур при получении гибридов. Отсутствие контроля на любом этапе производства семян, может значительно сократить урожай, снизить чистоту полученного материала, а также повысить цену на гибридные семена. Так, в 1975 г. при промышленном получении гибридных семян получали всего 274 кг/га. По мере роста квалификации персонала, а также получения линий с улучшенными характеристиками цветка и других признаков, влияющих на величину аллогамии, также росли и показатели урожайности гибридных семян, достигшие к 1990 году 2,25 т/га (Mao C.X., Virmani S.S., 2002). К 2001 году в Китае средняя урожайность достигла 2,7 т/га и 1-1,5 т/га за пределами Китая. Перед учеными Китая поставлена задача - повысить выход гибридных семян до 3 - 4,5 т/га, а также снизить их цену. Самый высокий урожай семян 4,8 т/га получен в Индии на небольшом участке, что подтверждает возможность значительного увеличения существующих показателей при получении семян гибридов.
Другим фактором сдерживающим развитие гибридного риса является низкое качество крупы, получаемой из гибридов, не отвечающее требованиям многих стран потенциальных производителей риса. Однако отмечено, что оно во многом зависит от используемых родительских линий и их признаков качества. С улучшением характеристик компонентов скрещивания повышается и качество семян гибрида. Уже созданы и родительские формы, и гибриды с улучшенными характеристиками (таблицы 6 -7) .
Гибриды риса, культивируемые за пределами Китая К 2001 году около 20 стран уже начали собственные селекционные программы по гибридному рису, налажено производство около 40 гибридов. Наибольших успехов в данном направлении добились страны: Китай, Вьетнам, Индия, Филиппины, США, Бангладеш. Посевные площади под гибридами риса приведены в таблицах 8 - 9 (рисунок 2).
Общая площадь под рисом 2009г, млн.га. 29.9 11.4 41.9 12.9 4.5 7.4 1.3 Площадь под гибридами риса,% 52.1 7.0 3.9 5.0 4.4 10.1 15.9 Рисунок 2 - Рост площадей под гибридным рисом (млн.га.) в Китае (верхний график) и за пределами Китая (нижний) в период с 1976 до 2011 года (Long Y., 2012 ).
Национальные программы по гибридному рису приняты во многих странах Юго-западной Азии. При помощи IRRI ежегодно проводятся курсы подготовки и консультации по селекционным и семеноводческим вопросам производства гибридов риса (Virmani S.S., 2002). После Китая в 1996 гибриды заняли максимальные площади во Вьетнаме. Китай и Вьетнам обладают сходными климатическими условиями. Коммерческий успех Китая в производство гибридов риса воодушевил ученых Вьетнама к адаптации этой технологии для увеличения их урожая в стране, особенно на орошаемых площадях дельты Красной реки. Несколько Китайских гибридов было интродуцировано во Вьетнаме, и их урожайность значительно превышала таковую местных сортов. В 1996 году была закуплена партия семян гибридов, достаточная для посева на площади 86000 га и роздана фермерам дельты Красной реки. Урожайность гибридов изучалась 1993-1995 г, и была выше, чем у сортов летом на 36,6 -75 %, а зимой на 24,5 - 81,1 % (Nguyen Tri Hoan, 2012).
Однако производство гибридов полностью зависело от импорта Китайских семян, стоимость которых значительно превышает таковую семян сортов. Кроме того, закупленные гибриды были чувствительны к коричневой цикадке и бактериальному ожогу. В сотрудничестве с международным институтом риса (IRRI) данные трудности были преодолены. Интродуцированные из IRRI гибриды и родительские линии были более приемлемы для выращивания в условиях Вьетнама, как для дельты Красной реки, так и для реки Меконг, так как показали большую устойчивость к коричневой цикадке и бактериальному ожогу. Налажено производство собственных гибридов. Сейчас посевные площади во Вьетнаме под гибридным рисом увеличиваются с каждым годом, в 2001 г они достигли 450 000 га, к 2011 году 585 000 га (урожайность 6,7 т/га) (Nguyen Tri Hoan, 2012).
Всего в Индии рис выращивают на 44 млн. га, производя до 100 млн. т зерна в год. Однако для того чтобы удовлетворить растущие потребности страны необходимо уже к 2025 году производить около 130 млн.т., хотя как и в других странах отмечено снижение темпа роста урожайности вновь создаваемых сортов, уменьшение и деградация природных ресурсов (воды, почв и т.д.). В связи с этим в 1989 году в Индии была принята программа по гибридному рису. К 2011 году, открыто 11 исследовательских центров, занимающихся созданием и внедрением гибридов. Изучение продуктивности гибридов проводится в 35 регионах страны. Для районирования гибрид должен превосходить стандартный сорт на 10 %, а гибрид на 5 %. За период с 1994 по 2001 годы в стране было получено 28 гибридов, причем 9 из них совместно с Международным институтом риса (Viraktamath B.C., 2012). Всего в Индии реализовано 46 гибридов, 29 из них создано селекционерами государственного сектора и 17 – частного (таблицы 10 -11).
Скорость роста зародышевого корня и стебля у сортов и гибридов риса
Поиск геномных регионов, определяющих устойчивость к засолению значительно осложняется тем фактом, что они, изменяющие транскрипцию при засолении, расположены на всех хромосомах риса (Mackill D.J., 2006; Гончарова Ю.К., Иванов А.Н., 2006). Трудности возникают также при фенотипировании генплазмы, так как устойчивость к засолению на различных фазах различна. Одновременная интрогрессия многих генов устойчивости процесс достаточно сложный. Однако многие локусы, определяющие повышенную жизнеспособность растений, также повышают их адаптивность к различным стрессовым факторам, в том числе и к засолению. Так как механизмы формирования устойчивости сходны для различных стрессов (Bhumbla D.R., Abrol I.P., 1972) Среди признаков их определяющих: скорость роста клеток, характеристики устиц и устичная проводимость, эффективность фотосинтеза и скорость аттрагирования пластических веществ из вегетативных в генеративные органы, а также их микрораспределение между элементами соцветия и зерном, сохранение величины фотосинтеза в фазу налива и созревания, задержка старения фотосинтетического аппарата (Akbar M. et al., 1977; Flowers T.J., Yeo A.R., 1981).
Физиологические механизмы солеустойчивости в фазу проростков относительно хорошо изучены. К ним относится: выделение излишков солей или низкое их потребление; компартментализация ядовитых ионов в структурных образованиях клетки или так называемых старых тканях (листьях, стебле, листовых влагалищах и корнях); более высокая устойчивость тканей за счет компартментализации солей в вакуолях; изменение в функционировании устьиц (у устойчивых образцов они закрываются быстрее после воздействия соли), что позволяет регулировать поступление солей через ризосферу, регуляция антиоксидантных систем, энергичный рост, позволяющий снизить концентрацию соли в растительных тканях, регуляция осмотического давления, детоксикация продуктов метаболизма при стрессе (Flowers T.J., Yeo A.R., 1981; Pearson G.A., 101
Bernstein L., 1959; Moradi F., Ismail A.M., 2007; Moradi F. et al., 2003; Yeo A.R. et al., 1990). В репродуктивную фазу развития, устойчивые генотипы имеют тенденцию к исключению доступа соли листьям близко расположенным к метелке особенно к флаговому листу и самой развивающейся метелке (Yeo A.R. et al., 1990; Peng S., Ismail A.M., 2004). Раннеспелые образцы имеют преимущества поскольку поглощение солей идет менее продолжительный период, а также в областях, где засоление связано с засухой в поздние фазы развития.
Наиболее известные доноры признака образцы: Pokkali, Nona Bokra, Moroberikan, Nepponbare, Bhura Ratha, Damodar, Сheriviruppu. Перечисленные сорта обладают рядом признаков, которые затрудняют их использование в селекции: позднеспелость, высокорослость, фоточувствительность, низкая урожайность. В последнее время создано несколько образцов характеризующихся сочетанием признаков «солеустойчивость» и рядом хозяйственно – ценных признаков, что позволяет более успешно использовать их при создании сортов: CZR 10, CZR 13, CZR 23, CZR 27, CZR 30, CZR 36, Fl478, PSBRc 50, IR 651. Интересная особенность риса - то, что большинство устойчивых генотипов превосходят коллекционные образцы только по одной или нескольким из признаков, определяющих адаптивность к стрессу (Yeo A.R., Flowers T.J., 1983; Yeo A.R., Flowers T.J., 1986; Garcia A., 1997; Garciadebla S.B. et al., 2003; Horie T., Schroeder J.I., 2004). Так образец Pokkali характеризуется высокой скоростью роста и устойчивым соотношением Na+/K+ в побегах. Солеустойчивость образца Fl 478 обусловлена высокой скоростью роста и толерантностью тканей. Образец PSBRc 50 солеустойчив за счет компартментализации солей в стареющих листьях. Сорт Сheriviruppu характеризуется устойчивым соотношением ионов Na+/K+ в побегах. Анализ морфофизиологических характеристик сортов - доноров солеустойчивости показал, что при засолении для них характерно: сохранение скорости роста, биомассы корней и стеблей, высокое 102 относительное содержание хлорофилла, низкое накопление ионов Na+ и соотношение Na+/K+ в побегах по сравнению с неустойчивыми генотипами (Sexcion F. H. et al., 2009; Гончарова Ю.К., Иванов А.Н., 2006). На устойчивость к засолению в значительной мере оказывают влияние условия внешней среды, так снижается она при высоких или низких температурах, недостаточном или несбалансированном питании (Mcnally K.L. et al., 2006). Сочетание многих абиотических факторов, снижающих продуктивность на засоленных почвах, и широкий набор признаков, обеспечивающих множественную устойчивость в этих условиях, привели к тому, что в последнее время успехи традиционной селекции в указанном направлении незначительны. Дальнейшее увеличение потенциала устойчивости связано с объединением лучших аллелей, обеспечивающих толерантность к засолению, с помощью различных механизмов (Horie T. et al., 2001). Новые молекулярно-генетические подходы позволяют выявлять и вводить гены сложных адаптивных признаков в генотип образцов при одновременном сохранении высокого потенциала продуктивности (Turan S. et al., 2012).
Наиболее полно изучена устойчивость к засолению у риса в фазу проростков, поскольку е без наличия невозможно выращивание растений на засоленных почвах. Результаты исследований показали, что прорастание семян на засоленной почве контролируется комплексом генов. Локализовано 16 QTL (локусов количественных признаков) влияние каждого из которых приводило к фенотипической вариабельности признака (от 4,6 до 43,7 %), причем 4 из них определяли 30 % варьирования (qIR-6, qIR-9, qGP-2, qGP-9). В дальнейшем эти локусы могут быть использованы для улучшения признака с использованием маркерной селекции (MAS). (Singh R.K. et al., 2007; Singh R.K. et al., 2007) Взаимодействие было отмечено только между двумя локусами.
Разделение коллекционных образцов согласно реакции на стрессовое воздействие по комплексу признаков для дальнейшего выделения доноров с различным механизмом формирования признака
На Кубани, где в настоящее время сосредоточено 84 % валового производства риса, около 31 % подвержено засолению, 25 % почвенного покрова засолено. В плавневой зоне более 50-% территории занимают болотные почвы, 56 % площадей засолено. Поэтому освоение под рис тяжелых, со слабой фильтрационной способностью, местами засоленных и заболоченных почв, на которых не могут возделываться другие культуры, является заметной прибавкой площади сельскохозяйственных угодий.
Устойчивость к засолению на различных фазах развития растений не одинакова. Рис относительно устойчив к засолению во время прорастания и активного кущения, созревания, но чувствителен в течение фазы проростков и цветения (Munns R. et al., 1999; Akbar M. et al., 1977).
Устойчивость к засолению в фазу проростков и репродуктивные стадии слабо связаны, поэтому только образцы, объединяющие признаки на обеих фазах могут быть адаптивны к стрессу в течение вегетационного периода (Walia H. et al., 2005 ; Pessarakli M., Szabolcs I., 2006).
Поиск геномных регионов, определяющих устойчивость к засолению значительно осложняется тем фактом, что они, изменяющие транскрипцию при засолении, расположены на всех хромосомах риса (Mackill D.J., 2006). Многие локусы, определяющие высокую жизнеспособность растений, также повышают их адаптивность к различным стрессовым факторам, в том числе и к засолению. Так как механизмы формирования устойчивости сходны для различных стрессов (Bhumbla D.R., Abrol I.P., 1972) Среди признаков их определяющих: скорость роста клеток, эффективность фотосинтеза и скорость аттрагирования пластических веществ из вегетативных в генеративные органы, а также их микрораспределение (Akbar M. et al., 1977; Flowers T.J., Yeo A.R., 1981).
Генетические системы, обеспечивающие устойчивость риса к засолению При действии абиотических стрессоров наибольший урон несут сорта с высокой потенциальной продуктивностью. Именно по этой причине во многих странах мира растениеводство ориентируют не на максимальную, а на оптимальную, но устойчивую по годам урожайность. Можно выделить несколько направлений селекции обьединяющих селекционные программы различных стран:
Селекция сортов «Leaf star» - данное направление обеспечивает высокую эффективность использования солнечной энергии высокую проходимость света через посевы, низкий коэффициент его поглощения посевами, эректоидные листья, сохранение уровня фотосинтеза в фазу налива и созревания, задержка старения фотосинтетического аппарата. 2. Селекция на быстрый рост и увеличение площади листьев. 3. Селекция на стабильность урожая. 4. Эффективность использования минерального питания 5. Селекция на высокую реутилизацию пластических веществ. Все эти направления, так или иначе, связаны с солеустойчивостью, так как в формировании устойчивости к абиотическим стрессам вовлечены многие физиологические процессы. Механизмы ее формирования сходны для различных стрессов (Bhumbla D.R., Abrol I.P., 1972). Так в формирование солеустойчивости вовлечены факторы, определяющие устойчивость к воздействию высоких температур, эффективность использования элементов минерального питания, засухоустойчивость (Akbar M. et al., 1977; Flowers T.J., Yeo A.R., 1981). Из 12 генов используемых для повышения устойчивости к засолению при создании трансгенных растений четыре также повышают устойчивость к 250 холоду и засухе, 2 ко всем абиотическим стрессам, 6 к засухе или холоду (Rus A. et al. , 2001).
Физиологические механизмы солеустойчивости в фазу проростков относительно хорошо изучены. К ним относится: выделение излишков солей или низкое их потребление; компартментализация ядовитых ионов в структурных образованиях клетки или так называемых старых тканях (листьях, стебле, листовых влагалищах и корнях); более высокая устойчивость тканей за счет компартментализации солей в вакуолях; изменение в функционировании устьиц (у устойчивых образцов они закрываются быстрее после воздействия соли), что позволяет регулировать поступление солей через ризосферу, регуляция антиоксидантных систем, энергичный рост, позволяющий снизить концентрацию соли в растительных тканях, регуляция осмотического давления, детоксикация продуктов метаболизма при стрессе (Flowers T.J., Yeo A.R., 1981) Полученные нами результаты показывают, что солеустойчивость российских образцов во многих случаях определяется комплексом неспецифических генов. Сделанный вывод подтверждает проведенное исследование солеустойчивости образцов селекции разных стран (затопление морской водой с общей минерализацией 2 %), российские образцы в среднем проявили большую солеустойчивость, чем трансгенные (с отдельными генами солеустойчивости) и образцы других стран.
