Содержание к диссертации
Введение
1. Условия, материал и методы исследований
1.1 Почвенно-климатические условия 12
1.2 Особенности метеоусловий в годы проведения исследований 15
1.3 Материал и методы исследований 20
2. Гаплоидия в селекции кукурузы 26
2.1 Методы выделения гаплоидов 36
3. Селекционная ценность образцов скороспелой кукурузы 39
3.1 Биологические особенности 43
3.2 Морфологические признаки 55
4. Оценка скороспелых образцов кукурузы на устойчивость к болезням и вредителям
4.1 Устойчивость образцов кукурузы к болезням 67
4.2 Устойчивость образцов кукурузы к вредителям 75
5. Реакция образцов на цмс типа-с 80
6. Элементы продуктивности 87
7. Комбинационная способность скороспелой кукурузы 98
8. Создание новых скороспелых автодиплоидных линий кукурузы на основе гаплоидии
8.1 Использование зародышевых метчиков-гаплоиндукторов для обнаружения и стимуляции повышенного выхода гаплоидных зерновок .111
8.2 Получение генетически маркированного материала, отбор и выращивание гаплоидных растений 120
8.3 Диплоидизация гаплоидных проростков кукурузы 130
9. Размножение и оценка новых скороспелых автодиплоидных линий кукурузы 140
Выводы 152
Предложения селекционной практике 155
Список используемой литературы 156
Приложения 178
- Особенности метеоусловий в годы проведения исследований
- Селекционная ценность образцов скороспелой кукурузы
- Устойчивость образцов кукурузы к вредителям
- Использование зародышевых метчиков-гаплоиндукторов для обнаружения и стимуляции повышенного выхода гаплоидных зерновок
Введение к работе
Увеличение производства зерна кукурузы является одним из важнейших условий стабилизации продовольственной базы России.
Согласно расчетам ученых РАСХН и специалистов МСХ РФ минимальная потребность животноводства в зерне кукурузы составляет около 3,0 млн. тонн, с учетом развития более 7,0 млн. тонн. Кроме того, для полной загрузки мощностей имеющихся заводов крахмалопаточнои промышленности требуется 600 тыс. тонн зерна кукурузы в год.
Кукуруза, как важнейший источник кормов - фуражного зерна и сырья для приготовления высокопитательного силоса, признана и широко распространена во многих странах мира. По универсальности использования кукурузе нет равных среди кормовых и зерновых сельскохозяйственных культур. В мировом производстве около 65% валового сбора зерна используется на кормовые цели; более 25% зерна для продовольственного потребления и около 10% - как сырье для ряда отраслей промышленности (Беляева В.А., 1956).
В зрелом зерне кукурузы содержится 65-70% углеводов, 9-12% белка, 3-5% масла, около 2% золы и витамины. (Коновалов Ю.Б., Долгодворова Л.И., Степанова В.А. и др., 1990). По кормовой и питательной ценности 1,0 кг зерна кукурузы соответствует 1,34 корм, ед., тогда как рожь - 1,28 корм, ед., ячмень -1,26 корм, ед., овес - 1,0 корм. ед. (Балябо Н.К., 1955).
Зерно кукурузы используется для производства муки, крупы, крахмала, различных продуктов питания, кондитерских изделий. Кукурузное масло является ценным диетическим продуктом, кукуруза также служит сырьем для приготовления ряда медицинских препаратов.
Высокими кормовыми достоинствами обладает силос из кукурузы. Силос из початков восковой и молочно-восковой спелости представляет собой концентрированный корм, в 1,0 кг которого содержится до 0,4 корм. ед. и 26 г перевариваемого протеина, по питательности и потребляемости почти не имеет себе равных (Циков B.C., 1986). Зеленная масса кукурузы, богатая каротином (провитамином А), и сухая листостебельная масса, после уборки початков на
4 зерно, также являются высокопитательными кормами (Смирнова М.И, Парамонов Ф.Ф., 1963).
Пищевые достоинства зерна кукурузы неоспоримы, в нем находятся почти все питательные вещества, основными из которых являются углеводы, белок и масло. На их долю приходится до 95% веса сухого вещества зерна. Вследствие этого зерно кукурузы вполне может заменить в питании человека зерно любых других злаковых культур, на что указывают многочисленные исследования, как в нашей стране, так и за рубежом.
По площади посевов кукуруза занимает третье место в мире после пшеницы и риса. Это одна из наиболее экономически важных культур земного шара. Наибольшие посевные площади кукурузы сосредоточены в США (29,4 млн га) и Китае (25,3 млн га). На их долю в 1999 году приходилось 39% всех посевов кукурузы, и 61% производства зерна- 239,7 и 126,2 млн тонн.
Первенство в производстве зерна кукурузы традиционно и исторически принадлежит Соединенным Штатам Америки. Фермеры США получают стабильно высокие урожаи зерна кукурузы: в 1997-1999 годах они составили 7,2, 7,9 и 8,4 т/га, соответственно. В структуре производимого зерна, включая зернобобовые, кукурузное зерно в США занимает 70-72% (во всем мире - 28%).
Среди стран Европы самые высокие урожаи кукурузы, при значительных посевных площадях, получают фермеры Франции, Италии и Испании - от 8,5 до 9,7 т/га.
Как утверждают М. Иванович и Ч. Раденович (1995), кукуруза является самой важной сельскохозяйственной культурой в Сербии и Черногории (она занимает примерно 1,5 млн. га посевов при средней урожайности зерна 5,0 т/га и дает годовой доход в 1 млрд. долларов) и «каждый, даже самый маленький, шаг вперед в ее производстве и использовании имеет большое значение для экономики страны».
Потенциал растения кукурузы весьма высок, что подтверждает практика сельского хозяйства Франции и Канады, т. е. стран, где климатические и почвенные условия близки или соответствуют природным особенностям России.
На Всероссийском совещании по перспективам развития кукурузы, за-
5 меститель руководителя Департамента растениеводства МСХ РФ СИ. Паклин (2003) отметил, что в мире заметна тенденция роста производства зерна кукурузы, как за счет повышения урожайности, так и за счет увеличения площадей.
Противоположная ситуация наблюдается в России, где за последние годы посевные площади кукурузы уменьшились почти втрое. Если в 1990 году кукурузу высевали на площади 10,97 млн га, то в 2003 всего на 2,9 млн га.
B.C. Сотченко (2003) отмечает, что кукуруза являясь одной из технологичных культур, требовательной к условиям произрастания - самая урожайная зернофуражная культура. В среднем за 1998-2000 гг., в Российской Федерации урожайность кукурузы на зерно выше всех других зерновых культур. Тем не менее, площади под посевами кукурузы за период после 90-х годов сократились на 63%, в то же время менее урожайные культуры высевались в куку-рузосеющей зоне: яровая пшеница на площади - 15,4 млн га, яровой ячмень -9,4 млн га, овес - 6,3 млн га.
Анализ продуктивности гибридов с различным вегетационным периодом, свидетельствует о необходимости гораздо большего использования в посевах на зерно гибридов более ранних групп спелости, особенно в засушливые годы, когда позднеспелые гибриды из-за дефицита влаги не могут реализовать свои потенциальные возможности.
С развитием селекции кукурузы на скороспелость стало реальным значительное расширение посевов кукурузы на зерно в Центрально-Черноземной зоне, в Поволжье и в других регионах. Раннеспелые гибриды, включенные в Госреестр в последние годы, дают высокие урожаи зерна до 54 параллели.
Актуальность исследований. В последние годы в ряде стран интенсивного земледелия создано достаточно предпосылок для селекции и промышленного использования гибридов кукурузы с ранними сроками созревания (ФАО 100-250) и высоким потенциалом урожайности.
Возросший интерес к скороспелым гибридам объясняется тем, что они наиболее удобно соответствуют графику работ с другими полевыми сельскохозяйственными культурами, гарантируют ежегодное получение сухого зерна с производственных посевов и позволяют своевременно освобождать площади
под посев озимых культур (Ивахненко А.Н., 1979).
Возделывание раннеспелых и ультрараннеспелых гибридов хозяйственно оправдано не только в северных регионах, где кукурузу высевают в основном для получения свежего и силосованного корма, но и в южных областях для пожнивных и поукосных посевов, а также в основной культуре как предшественник под озимые.
Определенное значение приобретают скороспелые гибриды и при внедрении в производство энергосберегающих технологий, в частности для уборки кукурузы в полной спелости зерновым комбайном и уменьшением затрат на сушку зерна.
Для России с ее довольно значительной долей земельных ресурсов и наличием большой природно-географической, а, следовательно, и почвенно-кли-матической зональности регионов возделывание этой культуры, успешное развитие научных исследований по селекции скороспелых гибридов приобретает особенно большую актуальность и имеет немаловажное народно-хозяйственное значение.
В связи с этим необходимо шире использовать возможности скороспелой кукурузы, особенно в хозяйствах северной зоны кукурузосеяния, где в большинстве районов отмечается лимит термических факторов при оптимальной обеспеченности растений влагой.
При решении проблемы увеличения производства зерна чрезвычайно велика роль сорта. Селекционеры, используя выделенные из мирового генофонда ВИР генетические источники и доноры, применяя современные методы селекции, внесли определенный вклад в создание перспективных сортов и гибридов интенсивного типа, которые раздвинули границы потенциальной урожайности. Но при этом важны новейшие разработки эффективных методов создания сортов, самоопыленных линий и гибридов, с высокой урожайностью и устойчивостью к различным экстремальным условиям среды.
Кукуруза, являясь растением теплых регионов возделывания, с длинным вегетационным периодом, согласно R.I. Brawn (1968), дает высокие урожаи и в более холодных странах мира (Канада, Франция, Бельгия, Швейцария,
7 Венгрия и др.), где главной проблемой успешного выращивания этой культуры является ее созревание.
Благодаря генетической вариабельности большинства признаков кукурузы, создаются раннеспелые генотипы, с высоким генетическим потенциалом урожайности, которые вызревают в районах с более коротким безморозным вегетационным периодом и меньшей суммой активных температур.
В России, с ее умеренным климатом (Нечерноземная зона, районы Западной и Южной Сибири, Дальнего Востока и др.), значительные площади посевов кукурузы заняты в основном среднеспелыми и среднеранними гибридами, которые хотя и дают значительные урожаи зеленой массы, но при высокой уборочной влажности и неполном созревании зерна не соответствуют установленным нормам.
Среди районированных на территории Российской Федерации гибридов, еще нет очень ранних, с периодом вегетации (ФАО 100-140), а многие раннеспелые гибриды (ФАО 150-250) не полностью отвечают требованиям производства (Ильин B.C., Гаценбиллер В.И., 1995).
Создание конкурентоспособных скороспелых гибридов (ФАО 100-150) в значительной мере сдерживается ограниченным набором ультраскороспелых и раннеспелых линий, обладающих комплексом хозяйственно-ценных признаков и высокой комбинационной способностью
Раннеспелые гибриды кукурузы по своему генетическому потенциалу уступают позднеспелым в продуктивности, поэтому привлечение плазмы более поздних форм, в качестве исходного материала, при создания скороспелых линий или сортов, является одним из эффективных направлений в селекции.
Это обусловлено тем, что скороспелость, отрицательно коррелируя с продуктивностью, определяет необходимость вовлечения в скрещивания позднеспелые линии с комплексом положительных признаков. Такое сочетание линий позволяет иметь высокую наследственную изменчивость и создает широкую возможность для получения новых скороспелых форм с задаваемыми признаками и свойствами.
Лучшие раннеспелые гибриды 70-80-х годов представляли собой соче-
8 тание кремнистых европейских линий F2, F7, ЕРІ (F120, Ма21) с зубовидными линиями американского (США) и канадского происхождения - W153, W182, А654, СМ7, Col09, Со120, Со125 и др.
Успех реализации селекционных программ по созданию новых скороспелых гибридов в большей степени определяется разнообразием и качеством исходного материала - самоопыленных линий и сортов. В связи с чем, в процессе селекционной работы с гибридной кукурузой, постоянно существует необходимость получения новых самоопыленных линий с набором полезных признаков и свойств, оптимально приспособленных к экстремальным природно-климатическим условиям.
Основной тенденцией научной деятельности в этом вопросе является повышение эффективности создания и использования нового исходного материала, умелое сочетание и проведение на современном уровне теоретических и прикладных работ в гетерозисной селекции.
В Российской Федерации скороспелые гибриды промышленного назначения имеют два базисных направления использования.
Одни из них должны быть приспособленными к возделыванию на зеленый корм и силос в северо-западных и северо-восточных регионах страны, с лимитированным коротким безморозным периодом и неустойчивым температурным режимом, накапливая при этом, к требуемому сроку большое количество вегетативной массы (50,0-65,0 т/га), с повышенным содержанием сухого вещества (18-20%).
Особенностью других является способность формировать за короткий период вегетации урожай зерна до 5,5-6,0 т/га, достигать полной спелости севернее современных границ возделывания кукурузы на зерно и быть хорошими предшественниками в южных районах.
Два направления хозяйственного использования скороспелых гибридов кукурузы (зерно и силос) предопределяют подходы к подбору типа гибридов и соответственно выбору исходного материала, различающегося между собой как по генетическому и эколого-географическому происхождению, так и по морфологическим признакам, биологическим свойствам и физиологическим особен-
9 ностям - срокам цветения и созревания, семенной продуктивностью, комбинационной способностью, устойчивостью к полеганию, болезням и вредителям, склонностью к кущению, качеству зерна и листостебельной массы и другим ценным признакам и свойствам.
При создании ультрараннеспелых гибридов кукурузы немаловажное селекционное значение имеют скрещивания скороспелых кремнистых образцов с зубовидными формами. Образцы кремнистой кукурузы вносят в гибриды раннее созревание, хорошую всхожесть и мощность проростков, тогда как урожайность, неполегаемость, мощность растений, отсутствие кущения, устойчивость к пузырчатой головне и другим болезням они наследуют от зубовидной.
Создаваемые скороспелые гибриды должны адекватно реагировать на повышенные дозы минеральных удобрений, быть устойчивыми к болезням и вредителям, приспособленными к механизированной уборке, отвечать требованиям современного промышленного семеноводства при интенсивной технологии возделывания.
Исходя из перечисленных требований и важности проблемы создания и повышения урожайности скороспелых гибридов кукурузы, на Кубанской опытной станции ВИР проводится селекционная программа, с использованием современных разработок методов гаплоидии и генетического маркирования, основным направлением которой является получение нового скороспелого материала на базе разнообразных генетических источников, имеющих важное значение при выведении новых линий.
Под скороспелыми гибридами кукурузы понимаются очень раннеспелые (ультраскороспелые) и раннеспелые (ФАО 90-180), которые гарантированно вызревают в северных зонах кукурузосеяния, давая высококачественную силосную массу и спелое зерно.
Для создания гибридов данного типа требуется соответствующий исходный материал, который при наличии его в мировой коллекции ВИР, недостаточно изучен. Необходимо проводить всестороннее изучение и выделять лучшие образцы, соответствующие признакам ультраскороспелости, с разработкой современных, актуальных методов получения новых ультраскороспелых линий,
10 отвечающих требованиям семеноводства и способных давать при скрещивании высокопродуктивные скороспелые гибриды для районов с коротким безморозным периодом.
Цель и задачи исследований.
Цель настоящей работы - ускоренное получение новых гомозиготных скороспелых линий кукурузы с использованием методов гаплоидии и генетического маркирования.
Защищаемые положения, сформулированы в результате экспериментальной работы, задачи которой состояли в следующем:
отобрать и изучить скороспелые образцы кукурузы с комплексом селекционно-ценных признаков и свойств;
выделить закрепители стерильности и восстановители фертильности ЦМС типа-С;
включить лучшие раннеспелые формы в скрещивания с применением диаллельной схемы и топкроссов;
вовлечь в гибридизацию с метчиком-опылителем гибриды кукурузы от диаллельных скрещиваний, выделенные по комплексу признаков;
осуществить отбор гаплоидных зерновок кукурузы из генетически маркированного гибридного материала;
повысить диплоидизацию секторов генеративных органов гаплоидных растений путем инъекций раствором колхицина;
размножить и отобрать лучшие скороспелые формы кукурузы гаплоидного происхождения;
сравнить эффективность использования метода гаплоидии и генетического маркирования при получении автодиплоидных линий со стандартным методом инбридинга.
Научная новизна работы. Впервые в условиях степной зоны Северного Кавказа проведено целенаправленное изучение биологических особенностей и селекционной ценности скороспелых форм кукурузы коллекции ВИР. Выделены генетические источники ценных признаков и свойств.
Впервые для ускоренного получения высокогомозиготных автодипло-
идных линий кукурузы и создания ультраскороспелых гибридов применены современные разработки методов гаплоидии и генетического маркирования.
Практическая значимость. Полученные результаты комплексного изучения коллекции кукурузы ВИР будут способствовать более эффективному использованию ее ценных форм в селекции скороспелых гибридов.
С использование метода гаплоидии созданы новые уникальные скороспелые автодиплоидные линии кукурузы, характеризующиеся комплексом селекционно-ценных признаков и свойств - раннеспелостью, интенсивным начальным ростом, ускоренной влагоотдачей зерна при созревании, устойчивостью к полеганию и высокой продуктивностью.
Выделенные генетические источники ценных признаков и свойств кукурузы и полученные на их основе автодиплоидные скороспелые линии могут быть рекомендованы для использования в селекции кукурузы.
Апробация работы. Результаты исследований были доложены на заседаниях Ученого Совета и полевых семинарах Кубанской опытной станции ВИР в 1998-2001 гг.; научно-практической конференции, посвященной 75-летию КОС ВИР, 2000 г.; на заседаниях научно-производственных совещаний отдела крупяных культур и кукурузы ВИР в 1999-2001, 2004 гг.; участвовал в научно-практической конференции по вопросам гаплоидии в селекции кукурузы, Краснодар, 1999 г.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 9 глав, выводов и предложений селекционной практике, списка используемой литературы (включая 282 наименований, в том числе 80 зарубежных авторов). Работа изложена на 200 страницах машинописного текста, содержит 14 диаграмм, 35 таблиц, 15 иллюстраций и 8 приложений.
Публикации по теме диссертации. По материалам диссертации опубликовано 3 статьи, в которых отражено основное содержание диссертации, одна статья находится в печати.
Автор диссертационной работы, глубоко скорбя о безвременной утрате, выражает большую признательность за бескорыстную помощь и неоценимую поддержку своему руководителю доктору сельскохозяйственных наук, профес-
12 сору Григорию Егоровичу Шмараеву; выражает сердечную благодарность ведущим специалистам Краснодарского НИИСХа им П.П. Лукьяненко М.В.Чумаку и Э.Р.Забировой за предоставленный материал и оказанную методическую помощь, а также сотрудникам отдела растительных ресурсов крупяных культур и кукурузы ВИР и коллективу Кубанской опытной станции за помощь и консультации.
Особенности метеоусловий в годы проведения исследований
Исследования проводились в 1998-2000 годах на опытных полях Кубанской опытной станции Всероссийского научно-исследовательского института им. Н. И. Вавилова, расположенной в степной зоне Прикубанской равнины, характеризующейся ровным рельефом местности. Географическое положение станции определяется координатами 45 18 с.ш. и 40 52 в.д., высота над уровнем моря- 138,9 м.
На Кубанской опытной станции ВИР нет ни естественных, ни искусствен-ных водоемов, река Кубань протекает в 18 км северо-восточнее. Вследствие приподнятости рельефа уровень грунтовых вод довольно низкий -15-20 м, ко-торые из-за достаточно глубокого залегания не оказывают заметного влияния на процесс почвообразования.
Почвенный покров места проведения исследований представлен мощными предкавказскими черноземами, сформированными на карбонатном суглинке. Реакция почв по всему почвенному профилю - слабощелочная (рН 6,0-6,1). Содержание карбонатов в пахотном слое (7,1%), глубже - более высокое (13,6-14,9%). Пахотный слой отличается комковато-зернистой структурой.
Мощность гумусового слоя достигает 130-170 см, содержание гумуса в пахотном слое сравнительно небольшое - 5,3%, четкая зернистость в гумусовом слое отсутствует.
Структурное состояние воздушно-сухого пахотного слоя и подпахотного горизонта хорошее. Формирование данных почв происходит в условиях умеренно-теплого климата и в условиях стабильного водного режима. При таком соотношении породности и влагоемкости обеспечивается благоприятное соотношение воздуха и воды в почве.
Характерными особенностями погодных условий данного региона является обилие тепла, недостаток увлажнения и крайняя неустойчивость всех климатических элементов.
Климат региона относится к теплому, умеренно континентальному, с жарким летом. Среднегодовая температура воздуха 10,6, среднемесячная температура самого холодного месяца - января -2,4, самого теплого - июля 25,5, сумма активных температур составляет 3200-3400С, увлажнение умеренное. Во второй декаде апреля наступает безморозный период, который продолжается до конца октября и составляет 185-190 дней, наступление «спелости» почвы начинается с 15 марта.
Среднегодовая сумма осадков за год составляет 546 мм, однако по годам эта сумма колеблется от 400 до 770 мм. В годовом распределении осадков максимум приходится на июнь - 80 мм, минимум на февраль - 31 мм. По годовым сезонам осадки распределяются следующим образом: за летние месяцы -184 мм, за осенние - 117 мм, за зиму - 109 мм и за весенние месяцы - 136 мм. Влагообеспеченность вегетационного периода характеризуется гидротермическим коэффициентом (ГТК) сумма осадков/сумма температур : 10 (по Селянникову Г.Т., табл. 1.1) Средние показатели относительной влажности воздуха региона несколько повышены, даже в летние месяцы содержание влаги в воздухе довольно высокое и составляет 62-66%. Суховеи на КОС ВИР наблюдаются обычно с апреля по сентябрь, наиболее вредоносными являются летние суховеи, которые в течение 1-2 дней могут нанести значительный ущерб урожаю сельскохозяйственных культур. Однако в целом почвенно-климатические условия зоны способствуют нормальному росту и развитию растений кукурузы. Погодные метеоусловия вегетационного периода 1998 года в степной зоне Краснодарского края складывались неблагоприятно в период роста и развития растений кукурузы. Температура воздуха на протяжении вегетации растений была выше среднемноголетней. Среднемесячная температура воздуха в апреле составляла 13,1 С, что на 2,1 С выше нормы, в мае температура воздуха превышала среднемноголетнюю на 0,5 С. В период появления всходов и начального роста растений отмечен некоторый дефицит влаги - на 10 мм ниже нормы, относительная влажность воздуха почти соответствовала среднемноголетней. Летний период отмечен засушливым, с очень малым количеством выпавших осадков. Критическая фаза развития растений приходилась на две последние декады июня. В этот период зафиксирована резкая нехватка влаги, за месяц выпало всего 10 мм осадков, при норме 78 мм. За весь летний сезон сумма осадков составила 48 мм, образовав при этом дефицит в 137 мм, в сравнении со среднемноголетней. Средняя температура воздуха за летний период равнялась 23,5С, что на 1,7С выше нормы, абсолютный максимум температуры достиг 39,0С. Жаркая, сухая погода во второй половине июля и августе ускорила развитие и сократила период цветения и налива зерна кукурузы, особенно раннеспелых форм. На продуктивность кукурузы такие погодные условия, главным образом дефицит влаги, сказались крайне отрицательно. В течение летнего периода отмечено 26 дней с суховеями, при этом относительная влажность воздуха находилась в пределах нормы, сумма активных температур за летний период составила 2165С. Конец лета и начало осени характеризовались особенной засушливостью, за август-сентябрь выпало всего 4 мм осадков. Большинство скороспелых образцов созрело раньше срока и имело при этом уборочную влажность зерна в пределах 7-12%. В третьей декаде апреля 1999 года, когда был произведен посев коллекционных образцов, стояла довольно теплая и сухая погода. Сумма активных температур в апреле составила 342С, что на 86С выше нормы, осадков выпало всего 21 мм, при норме 52 мм. В мае отмечалось понижение температуры воздуха с большим количеством выпавших осадков - 109 мм, наблюдаемое число дней с осадками превысило средние многолетние данные на 137%. Сумма активных температур равнялась 712 С, при норме - 776С, температура воздуха оказалась ниже среднемноголетней на 3,3С.
Селекционная ценность образцов скороспелой кукурузы
Под влиянием воздействия человека (расселение, селекция, агротехника) возникло огромное количество форм кукурузы, скороспелость которой зависела от почвенно-климатических условий и направлений отбора. Из естественных популяций завезенных в Европу, путем акклиматизации, отбирались формы, которые наряду с хорошей продуктивностью и другими хозяйственно-ценными признаками надежно вызревали при метеорологических отклонениях.
Отбор на скороспелость в гетерозиготных популяциях был наиболее успешным в зонах с коротким безморозным периодом, в экстремальных для этого признака условиях. В России в конце XIX и начале XX веков кукуруза была завезена в районы Сибири, Дальнего Востока и в другие малоблагоприятные для роста и развития растений зоны. В результате длительного выращивания и отбора скороспелых форм, народной селекцией выведены местные скороспелые сорта, которые стали ценным исходным материалом для создания современных селекционных сортов. В различных почвенно-климатических зонах формировались свои скороспелые генотипы, наиболее отвечающие условиям среды. В степных районах выведены скороспелые и засухоустойчивые, в северных условиях - скороспелые, холодостойкие и морозоустойчивые сорта. По данным Ф.Ф. Сидорова (1963), в мировой коллекции ВИР имеются скороспелые образцы среди подавляющего большинства подвидов кукурузы. Наибольшее разнообразие встречается среди подвида кремнистой кукурузы, что объясняется как длительной народной селекцией, так и работой научных учреждений по выведению и улучшению сортов. Весьма ограниченным набором скороспелых форм в мировой коллекции ВИР представлены образцы зубовидной кукурузы, в настоящее время наиболее распространенной в производстве. Отсутствие целенаправленной селекции по созданию скороспелых форм, а также меньшей холодостойкостью зубовидной кукурузы по сравнению с другими подвидами, ограничивало результаты селекционной работы при возделывании ее в северных районах. Как известно, из всех подвидов кукурузы в селекции гибридов на зерно и силос наиболее широко используются скороспелые линии и сорта с кремнистой и зубовидной консистенцией зерна в различных сочетаниях (Derieux М., Rives М., 1980; Чучмий И.П., Моргун В.В., 1990; Troyer A.F., 1994, 1999). Однако, обобщенная информация указывает на недостаточное количество селекционного материала кремнистой кукурузы, при наличии большого разнообразия скороспелых форм из многих стран мира (Чучмий И.П., Моргун В.В, 1990; Домашнев П.П, Дзюбецкий Б.В., Костюченко В.И., 1992). Сортимент скороспелых образцов с зубовидной консистенцией зерна сравнительно ограничен, что видимо, связано с меньшей адаптивностью этого подвида кукурузы к прохладным условиям северных зон (Мустяца СИ., Борзан П. А., Мистрец СИ., 1990). В наших исследованиях проводимых на КОС ВИР в 1998-2000 гг. изучен набор скороспелых образцов кукурузы, выделенных в рабочую коллекцию, по основным хозяйственно-ценным признакам. В основу систематизации образцов по скороспелости положено наличие числа листьев на главном стебле. В качестве дополнительных показателей применяются: показатели уборочной влажности зерна (%), сравнение образцов с сортами или линиями-идентификаторами, разделение образцов по единицам ФАО и длине вегетационного периода (в днях) от всходов до цветения початков (50%). Определение скороспелости образцов при созревании, по черному слою у основания зерна под наружной оболочкой, образовавшееся в результате отмирания проводящих клеток, расположенных между базальной частью эндосперма и сосудистой тканью цветоножки, хотя и является достаточно надежным методом определения, но довольно трудоемко. Между числом листьев и отдельными межфазными периодами развития растений наблюдается взаимосвязь, поэтому период всходы-цветение початков или метелок служит вполне приемлемым критерием для разделения образцов по скороспелости в определенной зоне, что нельзя сказать о J полном вегетационном периоде, который может варьировать по годам даже в одной климатической зоне. Большинство отобранных для изучения образцов отвечают основным селекционным требованиям по отдельным элементам, но не комплексу хозяйственно-ценных признаков, что особенно заметно в ультраскороспелой группе. Как правило, скороспелые образцы коллекции кукурузы, обладают короткими (7-14 см) и малорядными (8-12 рядов) початками, низкой высотой растения (75-140 см) и прикрепления початка (5-40 см), повышенной кустистостью, средней или слабой устойчивостью к ломкости стебля, хорошей холодостойкостью, низкой и средней урожайностью. По типу строения зерновки большинство скороспелых образцов относится к подвиду с кремнистой или кремнисто-зубовидной консистенцией зерна, и только небольшая часть - к подвиду зубовидной кукурузы. Процентное соотношение разновидностей подвидов скороспелых образцов кукурузы, используемых в наших исследованиях на Кубанской опытной станции ВИР, показано на диагр.2.1. Из приведенных данных видно, что в ультраскороспелой группе установлено значительное преобладание образцов кремнистой кукурузы - 71,6%, количество образцов остальных подвидов колебалось от 6,9 до 14,3%. При переходе от ультраскороспелой группы спелости к раннеспелой количество образцов с кремнистой консистенцией зерна снижается до 35,0%, тогда как доля образцов с зубовидным и полузубовидным типом зерна возрастает с 6,9-7,2% до 13,2-29,4%. Учитывая тот факт, что в настоящее время линии с зубовидным типом зерна в подавляющем большинстве участвуют в различных селекционных программах, играя при этом определяющую роль и наиболее отвечая основным требованиям современного семеноводства (устойчивостью к абиотическим факторам среды, пригодностью к механизированной уборке, и что самое главное высокой урожайностью), становится весьма актуальным вопрос по созданию соответствующего исходного материала для селекции скороспелых высокоурожайных гибридов кукурузы. Следует отметить, что за последние годы, в связи с развитием селекции на скороспелость, география использования скороспелых гибридов меняется в сторону продвижения силосной и зерновой кукурузы дальше на север.
Если в 70-80-х годах скороспелых гибридов (ФАО 100-200) было сравнительно мало, то в последующие годы большинством селекцентров начаты работы по созданию раннеспелых и ультраскороспелых гибридов, которые бы давали зерно восковой и даже полной спелости в условиях крайнего севера, где возможно возделывание зерновых культур.
В целях развития селекционных программ на скороспелость и повышения эффективности научного обеспечения производства кукурузы, необходимы современные генетико-селекционные методы оценки и создания исходного материала, совершенствование существующих и разработки новейших экологически безопасных технологий получения и возделывания гибридов кукурузы, каковой является технология ускоренного массового получения гомозиготных линий, основанная на использовании методов гаплоидии и генетического маркирования.
Устойчивость образцов кукурузы к вредителям
Исследованиями ряда авторов установлено, что кукуруза поражается более 25 видами различных насекомых, которые значительно снижают урожай и технологические качества зерна (Дик Ф.Ф., 1957; Карпова А.И., 1959).
На территории Российской Федерации наиболее распространенным и опасным вредителем кукурузы является стеблевой (кукурузный) мотылек -Ostrinia (Pyrausta) nubilalis Hbn. Этот вредитель впервые описан в 1796 году Якобом Хюбертом, а в 1869 г. был обнаружен в России. Кукурузный мотылек -полифаг, который повреждает более 50 видов культурных и 100 видов дикорастущих растений (Добродеев Ф. И, 1921).
По сведениям И.К. Пачосского (1913), еще в начале нынешнего столетия стеблевой мотылек был обнаружен на территории Молдавии, Украины и на юге России, в частности в Ростовской области. Впоследствии стеблевой мотылек распространился по всей территории республик бывшего СССР, исключение составляют лишь районы до 56 северной широты.
Ежегодно кукурузный мотылек наносит огромный ущерб сельскому хозяйству. Повреждение растений и зерна початков мотыльком может достигать 79,6-92,2%, снижая урожай на 8-14 ц/га (Хомякова В.О., 1962, 1963).
J.L. Jarvis, W.D. Guthrie, J.C. Robbins (1986) показывают значительную разницу в размере потерь урожая позднеспелых и раннеспелых гибридов при повреждении стеблевым кукурузным мотыльком. Потери у раннеспелых гибридов кукурузы были значительно выше (16,1-26,2 ц/га), чем у позднеспелых (3,9-21,2 ц/га) и равнялись 2,0-21,5% и 0,5-4,3% соответственно.
Результаты проводимых исследований показывают, что проявление устойчивости кукурузы к первому и второму поколению стеблевого мотылька совершенно различно. Проявление органотропной устойчивости растений приурочено к определенному поколению вредителя. Первое поколение в большей степени повреждает листья, второе - стебли. Выявлены образцы устойчивые к первому и второму поколениям вредителя (Сусидко П.И., Федько И.А., Ковалев A.M., 1978; Ohnesorge В., 1988; Ali М.А., Metwally М.М., Abdel-Ghaffar М.М., Metwally A.S., 1989; Jarvis J.L., Ziegler K.E., Webber D.F., Guthrie W.D, 1990). А.С Хроменко, И.П. Чучмий, В.В. Моргун, B.C. Борейко (1986) сообщают о схеме селекции раннеспелых форм кукурузы, устойчивых к болезням и вредителям, состоящей из шести этапов, при которой проводится отбор лучшего исходного материала и создание гибридных комбинаций высокоустойчивых к болезням и вредителям.
B.C. Сотченко, М.А. Чумаков, А.Н. Фролов, Е.Н. Кольчевская (1991) отмечают устойчивость определенных линий к кукурузному мотыльку и хлопковой совке. Ими установлено, что образцы кремнистой кукурузы в среднем несколько слабее повреждались мотыльком, чем линии зубовидной кукурузы. При этом линии устойчивые к кукурузному мотыльку, не обладали этим свойством по отношению к хлопковой совке. Однако данное положение не отрицает возможности получения групповой устойчивости в гибридных комбинациях при полигенном типе наследовании иммунных свойств кукурузы.
Д. С. Переверзев и А.С. Хроменко (1994), сообщают о результатах изучения устойчивости к кукурузному мотыльку большого разнообразия местных и селекционных сортов кукурузы. Анализ повреждения растений гусеницами стеблевого мотылька проводили через месяц после искусственного заселения, когда характер и степень повреждений были уже хорошо различимы. Одновременно с заселением растений яйцами вредителя производился отбор проб листовой ткани кукурузы на определение биохимического фактора устойчивости - Димбоа-тест.
В последние годы наблюдается устойчивая численность стеблевого мотылька на посевах кукурузы в различных областях Северного Кавказа. В условиях Краснодарского края мотылек имеет, как правило, 1-2 поколения, однако в отдельные годы число поколений может увеличиваться до трех. Число поколений обуславливается суммой эффективных температур, влажностью воздуха, фотопериодическими реакциями насекомого на длину светового дня, которые регулируют проявление диапаузы (приостановки развития) в цикле развития вредителя (Ду Чжинь-Вэнь, 1961; Данилевский А.С, 1984).
В настоящее время в США созданы химические вещества - флавоноиды, выделенные из растений высокоустойчивых форм кукурузы, которые повы 77 шают устойчивость растений к поражению кукурузным мотыльком (Брежнев Д.Д., Шмараев Г.Е., 1970).
Семеноводческие компании широко применяют химическую обработку посевов кукурузы и ряд других агротехнических приемов по защите растений от вредителей. Однако выведение и внедрение в производство сортов и гибридов, устойчивых к стеблевому мотыльку, является наиболее действенным методом борьбы с этим вредителем (Painter R.H., 1951; Dicke F.F., Penny L.H., 1952; Емельянов Е.И., 1966). В наших исследованиях, по изучению скороспелых форм кукурузы коллекции ВИР, проводимых в полевых опытах на естественном фоне использовалась предлагаемая шкала оценки устойчивости к стеблевому мотыльку по количеству отверстий в стебле растения (Метод, указания ВИР, 1985), где принято считать: устойчивыми - имеющих менее трех отверстий в стебле; среднеустойчивыми - 3-5 червоточин; неустойчивыми - более 5 червоточин. Так как подсчет отверстий в стебле проводился на 10 растениях, распределение отверстий, полученных в результате поражения кукурузным мотыльком, по шкале оценок составил: 10-29 червоточин - устойчивые образцы, 30-50 - среднеустойчивые, более 50 - неустойчивые, в шкалу оценок была включена группа высокоустойчивые - при обнаружении менее 10 отверстий на растении (прил. 6). По результатам наблюдений нами установлено, что личинки мотылька повреждают стебель растений, что вызывает ломкость растений, ведущую к опаданию початков. В период цветения генеративных органов растений кукурузы личинки мотылька питаются формирующимися колосками, пестичными нитями, а затем стержнями початков и развивающимся зерном, в первую очередь, повреждая зародыши зерновок. Анализ данных показал, что абсолютно устойчивых к воздействию вредителем, среди скороспелых форм кукурузы, не обнаружено, все изучаемые образцы в какой-то мере повреждались кукурузным мотыльком.
Использование зародышевых метчиков-гаплоиндукторов для обнаружения и стимуляции повышенного выхода гаплоидных зерновок
Селекционная работа с кукурузой, основанная на использовании явления гетерозиса, предполагает постоянный процесс создания и оценки новых гомозиготных линий. Процесс довольно трудоемкий, требующий многих лет работы для получения селекционно-качественного материала. Разработка технологии массового, ускоренного метода создания новых высокогомозиготных линий кукурузы представляется исключительно удобной и дополняющей традиционный метод инбридинга.
В основе технологии ускоренного получения новых линий кукурузы, лежит метод гаплоидии, основанный на генетическом маркировании и массовом отборе гаплоидов по цвету зародыша и алейрона, предложенный американским ученым Ш. Чейзом в 1952 году.
Генетическое маркирование для выделения гаплоидов кукурузы впервые было применено Рендольфом Л.Ф. (Randolph L.F., 1938). Для установления частоты возникновения редуцированных апомиктов у диплоидных и тетраплоид-ных форм кукурузы он использовал в качестве опылителя Коричневый тестер Эмерсона. Коричневый тестер (генетическая конституция а,\ А2 В Р1 С R-g Rr lgi) и очень близкий к нему по набору маркерных генов Пурпуровый тестер (Aj А2 В PI С R-g Рг) имеют доминантные признаки коричневой или пурпуровой окраски растения и эндосперма (таб. 8.1.1).
Пурпуровая окраска первоначально проявляется на стадии проростков у корешков даже при проращивании в темноте. Эти метчики широко использовали для получения гаплоидов кукурузы многие исследователи (Chase S.S., 1963b; Юдин Б.Ф., Хватова М.Н., 1966; Хохлов С.С., Гришина Е.В., Зайцева МИ. и др., 1970).
Ш. Чейз (1952), сообщил об использовании в качестве маркерных и ряда других признаков: пурпуровая окраска плюмулы (A Pui Риг) ИЛИ щитка (А С R і Si S2 S3 S4 S5). Достоинством этих маркеров являлось то, что выделение гаплоидов с их помощью можно проводить на стадии зрелой зерновки. Однако недостаточно четкое проявление сигнальных признаков окраски у гибридных зерновок не привело к распространению этих метчиков.
В 1965 году появилось сообщение, что обнаружена новая аллель гена R-navajo (R-nj-cudu), которая в системе с двумя другими генами окраски вызывает антоциановую пигментацию алейрона, зародыша и щитка, что позволяет проводить отбор гаплоидов на стадии сухих зерновок, и делает процесс выделения гаплоидов весьма технологичным (Chase S.S., Nanda D.K., 1965).
Форма, содержащая в своем генотипе систему генов А С R-nj b pi pr p-wr, была названа Purple Embryo Marker (РЕМ) - Маркер Пурпурового Зародыша и является очень удобной для работы.
Созданию эффективных опылителей, которые сочетали бы в себе индуцирующую способность и различные маркерные гены окраски, посвящено много исследовательских работ (Сое E.N., Sarkar K.R., 1964; Nanda D.K., Chase S.S., 1966; Greenblatt, Bock, 1967; Sarkar K.R., Sudha, Panke, Sachan J.K.S., 1972; La-shermes P., Beckert M., 1988).
Наибольшего успеха в разработке метчиков-гаплоиндукторов достигли российские исследователи. Созданные в КНИИСХе им. П.П. Лукьяненко, Чумаком М.В. (1971, 1974, 1977), путем ступенчатой гибридизации РЕМ с Stock 6 и Пурпуровым тестером Чейза, метчики-тестера РЕМ18, РЕМ19, РЕМ48 и другие, а также полученные в Саратовском Университете B.C. Тырновым и А.Н. Завалишиной (1984) новые индукторы гаплоидов КМС (Коричневый Маркер Саратовский) и ЗМС (Зародышевый Маркер Саратовский), позволяли индуцировать матроклинные гаплоиды с частотой от 0,55% до 3,43%. С такой, довольно высокой частотой индуцирования гаплоидов, появилась возможность получать гаплоиды в массовом количестве для селекционной работы.
В дальнейшем в Краснодарском НИИСХе были проведены скрещивания метчиков группы РЕМ с гаплоиндукторами ЗМС селекции Саратовского Университета (Хаджинов М.И., Чумак М.В., 1998). На гибридном материале, путем индивидуального отбора растений, О.А. Шацкой проведено выделение лучших форм и получены метчики нового поколения - ЗМК-1, ЗМК-2 (Зародышевый Маркер Краснодарский) и другие, с частотой гаплоидизации от 2 до 10% и выше (Шацкая О.А. и др., 1994).
В наших исследованиях на КОС ВИР в качестве метчика-гаплоиндуктора использовалась, предоставленная Чумаком М.В., популяция ЗМК-2, селекции КНИИСХа им. П.П. Лукьяненко. За время проведения исследований нами была изучена и дана оценка эффективности использования популяции ЗМК-2 в практической селекции при получении новых скороспелых линий кукурузы. Гаплоиндуцирующая популяция ЗМК-2 относится к группе среднеспелых (ФАО-350), со средней высотой растений - 160-175 см и хорошей пыльце-образующей способностью метелки. Практически все вегетативные части растения (корни, стебли, листья, обертка и нити початка, метелка и пыльники) как на ранних стадиях развития, так и во взрослом состоянии, имеют пурпурный цвет, что указывает на наличие доминантных признаков окраски (рис.1). Початок длиной 13-15 см, массой 50-80 г, с белым, розовым или красным стержнем. Зерновка, а также ее составляющие эндосперм, зародыш и щиток имеют антоциановую окраску, с кремнистой или слабо выраженной зубовидной консистенцией зерна. В генотипе метчика-гаплоиндуктора ЗМК-2 присутствуют доминантные маркерные гены окраски зерновки А С R-nj, вызывающие пигментацию алейрона и зародыша (рис. 2). окрас- окраски зерновок. ки растений. После проведения опыления метчиком материнской формы, гаплоиды можно легко выделять из полученного гибридного потомства, на стадии сухих зерновок по окраске алейронового слоя. К положительным качествам популяции ЗМК-2 относится свойство получения маркированного материала на изолированных участках, при высевании материнских форм и метчика чередующимися рядами по схеме 4:2 и обрыванием метелок на материнских формах. Используя это свойство метчика можно получать любое необходимое количество маркированного материала. М.В. Чумаком (2001) показано, что на участке площадью 0,1 га можно получить свыше 1 млн. маркированных зерновок и при частоте гаплоидии 4% -40 тыс. гаплоидов. В то время как за сезон, один опытный лаборант в состоянии обработать колхицином и самоопылить не более 10 тыс. гаплоидных растений. Выделение зерновок с гаплоидным зародышем можно проводить в любое удобное для исследований время. Отобранные зерновки хорошо сохраняются и могут быть использованы для посева с применением обычных средств механизации - сажалка, сеялка, что определяет высокую технологичность при использовании метчика-гаплоиндуктора популяции ЗМК-2.
