Содержание к диссертации
Введение
1. Селекция рапса на желтосемянность (литературный обзор) 10
1.1. Способы опыления и методы селекции рапса 10
1.2. Основные направления селекции рапса 17
1.3. Наследование окраски семенной оболочки у
представителей рода Brassica 27
1.4. Результаты селекции желтосемянных форм Brassica 33
2. Материал, методы и условия проведения опытов 42
2.1. Материал и методика проведения исследований 42
2.1.1. Происхождение исходного материала желтосемянного ярового рапса .' 42
2.1.2. Методика проведения исследований 43
2.2. Характеристика почвенно-климатических условий 45
3. Биология цветения и опыления желтосемянного ярового РАПСА 51
3.1, Морфология цветка желтосемянного ярового рапса 51
3.2. Особенности опыления желтосемянных форм ярового рапса 60
4. Наследование признака окраски оболочки семени у ярового РАПС А 63
4.1, Изучение наследования признака желтосемянности у гибридных семян Fi HF2 63
4.2. Изучение наследования признака желтосемянности у гибридых семян F-i и потомства ВС і 67
Изучение хозяйственно полезных биохимических показателей семян раиса (b.napus ole1fera metzg.) и сурепицы (В. RAPA L. VAR. SILVESTRIS (ZAM.) BRIGGS.) ТИПОВ «00» И «000» 73
Хозяйственная оценка исходного материала желтосемянного ярового рапса 78
6.1. Изучение основных хозяйственных признаков желтосемянного и сизосемяниого ярового рапса 78
6.2. Изменчивость основных хозяйственно ценных признаков желтосемянного и сизосемяниого ярового рапса 87
6.3. Взаимосвязь признаков продуктивности у желтосемянного ярового рапса 93
Селекционная оценка сортообразцов желтосемянного ярового рапса 99
7.1. Изучение желтосемянньгх сортообразцов ярового рапса в питомнике 1-го года 99
7.2. Изучение желтосемянных сортообразцов ярового рапса в питомнике 2-го года 101
7.3. Конкурсное испытание желтосемянных сортообразцов ярового рапса 102
Выводы и предложения для селекционной практики
8.1. Выводы 107
8.2. Предложения для селекционной практики 109
9. Список литературы
- Способы опыления и методы селекции рапса
- Происхождение исходного материала желтосемянного ярового рапса
- Морфология цветка желтосемянного ярового рапса
- Изучение наследования признака желтосемянности у гибридных семян Fi HF2
Способы опыления и методы селекции рапса
Главными факторами, определяющими способ опыления и, соответственно, выбор методов селекции культуры, являются особенности строения и развития ее цветка, а также биологии цветения.
Цветки рапса собраны в кистевидное соцветие и имеют яркий венчик, состоящий из 4-х лепестков и 4-х чашелистиков, двухгнездной завязи и 6 тычинок, 2 из которых короче других. Между основанием коротких тычинок и завязью располагаются два крупных нектарника, два других, более мелких, примыкают к основанию длинных тычинок.
Раскрытие цветка у рапса происходит преимущественно в ранние утренние часы, когда, как правило, имеет место повышенная относительная влажность воздуха. Пыльца в это время липкая, комковатая, перенос ее воздушными массами ограничен, причем, в момент растрескивания пыльников длинные тычинки располагаются очень близко к рыльцу пестика, высыпая на него обильное количество пыльцы, что способствует самоопылению (СЮ. Кравцов, В.И. Шпота, 1985). Каждый цветок рапса цветет на протяжении 1-2 дней, такая короткая жизнь цветка ограничивает возможность попадания на него чужой пыльцы.
С другой стороны, отклонение пыльников от рыльца при их растрескивании, работа пчел и других насекомых на цветках в ранние утренние часы, а также летучесть быстро подсыхающей пыльцы способствуют перекрестному опылению рапса. Пыльники опорожняются от пыльцы очень быстро, это явление создает условия для использования чужой пыльцы, хотя бы для части семяпочек. (Е.Н. Синская, 1928; А.И. Салтыковский, 1938;
Ю.П. Мухин, 1977, 1979; В. Freed, 1983). Перенос пыльцы пчелами происходит, в основном, в пределах одного цветущего массива, хотя продуктивным лётом пчелы считается расстояние 2000 м (И.А. Левченко, 1959). Пыльца рапса может переноситься и с помощью ветра. Однако, пыльцевые зерна обнаруживаются не далее, чем в 30-ти метрах от поля. Например, у сорта ГТримор замечен перенос пыльцы ветром на расстояние до 32-х метров, хотя 75% всей пыльцы оседало в радиусе 6-ти метров от продуцирующего ее растения (G. Anderson, G. Olsson, 1959).
Нередко среди нормальных цветков рапса может наблюдаться такое аномальное явление, как гетеростилия (когда длина тычинок в несколько раз меньше длины пестика), которое ведет к усилению возможности аллогамии (Г.С. Воскресенская, С.Н. Алексеева, 1972; С.Н. Алексеева, 1974). Е.Н. Синской (1928), В.И. [Ппотой и СЮ, Кравцовым (1985) было обнаружено, что цветкам рапса свойственна протерогиния (в обоеполом цветке генецей созревает раньше, чем андроцей), которая также препятствует самоопылению.
Таким образом, морфология и динамика развития отдельно взятого цветка обеспечивают значительное разнообразие условий опыления, а, следовательно, и изменчивость способа опыления рапса.
Отдельные биотипы и популяции рапса не одинаково склонны к самоопылению, величина которого варьирует в среднем от 60 до 90% (Сал-тыковский, 1938; Olsson,1952, 1954, 1960; Anderson, Olsson, 1961; Осипова, 1988; Robbelen, 1985; Дубовская, Гаврилова, 1989). Исследования, проведенные во ВНИИМК, показали, что основным спосооом опыления рапса является самоопыление. У изучаемых сортов опыление происходило преимущественно в пределах цветка (42,9-57,7%) и в пределах растения (43,3-30,3%), а на долю перекрестного опыления у разных сортов приходилось от 2,0 до 41,3% (СЮ. Кравцов, 1985). Изучение типа опыления в Пушкин ской лаборатории ВИР показало его сильную изменчивость по годам и сортам. Среди сортов наиболее высокой завязываем остью семян при самоопылении обладал сорт Aomori (Япония), у которого отношение числа семян, завязавшихся при изоляции, к таковому от свободного опыления составляло в среднем 76,6%, в то время как у сорта Кубанский - 40,2% (AT. Дубовская, В.А. Гаврилова. 1989).
В условиях лесостепи Западной Сибири значение автофертильности по сортам рапса в зависимости от года варьирует от 47,2 до 85,6%. Анализ завязываемости семян при самоопылении у разных сортов рапса в условиях Северного Зауралья показал, что в этом регионе рапс более склонен к самоопылению. У сортов Кубанский и Tower величина самоопыления варьировал от 61,3 до 88,8% (Д. Р. Майсямова, 1991).
По данным многих исследователей доля перекреста у масличного рапса в среднем варьирует от 15 до 40% (Синская, 1928; Bartkowiak-Broda, 1979; Huhn, Rakow, 1979; Thompson, 1983; E. Rudloff and W. Schweiger 1984, 1985; R. Downey and G. Rakow, 1987; G. Rakow and D. Woods, 1987). Степень возможного перекрестного опыления у рапса выявляется с помощью маркерных признаков: отсутствие хлорофилла у гибридных форм, ан-тоциановая окраска гипокотиля и других частей растения, окраска семян и венчика, содержание эруковой кислоты в масле семян безэруковых растений и т.д.
Таким образом, изменчивость способов опыления рапса позволяет успешно применять при работе с этой культурой различные селекционные методы.
Происхождение исходного материала желтосемянного ярового рапса
Исследования проведены на центральной экспериментальной базе ВНИИМК в 1997-1999 гг. Питомник изучения хозяйственно ценных признаков вышеуказанного материала закладывали по типу питомника первого года изучения в 3-кратной повторноети на однорядковых делянках (8=1,25м2) по принятой во ВНИИМК методике (Г.С. Воскресенская, В.И. Шпота, 1967). Посев в поле проводили с использованием ручной полуавтоматической сажалки СКМ-1 гнездовым способом по схеме 50x25 см.
Биометрический анализ модельных снопов выполнен на 30-ти случайно отобранных растениях каждого сортообразца в питомнике изучения хозяйственно ценных признаков в соответствии с принятой во ВНИИМК методикой (Г.С. Воскресенская, В.И. Шпота, 1967).
В опыте по изучению особенностей опыления желтосемянных форм ярового рапса использовали 5 вышеназванных желтосемянных сортообраз-цов различного происхождения. В качестве контроля был взят сизосемян-ный сорт Ярвэлон. Самоопыление и гибридизацию проводили в фазу начала цветения на 10-ти растениях каждого сортообразца для каждого из следующих вариантов опыления: в пределах одного цветка; одного растения; между растениями одного сорта; между растениями разных сортов. В каче стве контроля был взят вариант с опылением при свободном цветении кастрированных и некастрированных цветков.
Определение результативности гибридизации осуществляли путем подсчета гибридных семян в процентном отношении к среднему значению количества семян в одном стручке, завязавшихся при свободном цветении.
Морфологические признаки цветка изучали на 10-ти растениях желтосемянных номеров: 21680, 23453, 25155 и 25336. Потенциальная продуктивность репродуктивных органов, т.е. число семяпочек в завязи цветка, учитывали по методике Т.С. Федоренко (1969).
Замер пыльцевых зерен (образец смеси пыльцы из 25 цветков сорто-образца, собранных с 10 растений) проводился окулярмикрометром при увеличении микроскопа МБИ-15 7x40 с переводом данных в микроны с помощью объектмикрометра.
Изучение наследования признака желтосемянности у ярового рапса проводили с использованием трех желтосемянных линий: 21680, 25336, 23453 и сизосемянного сорта Ярвэлон. В фазе цветения были проведены скрещивания по неполной диаллельной схеме между желтосемянными линиями и сизосемяннътм сортом, а также скрещивания реципрокных гибридов Fi с родительскими формами. В фазе начала цветения проводили самоопыление гибридных растений Fi и F2. Полученные семена визуально анализировали по цвету. Для статистической оценки соответствия фактического расщепления теоретически ожидаемому применяли метод крите-рия значимости хи-квадрат (% ).
ДЛЯ выявления наиболее перспективных сортообразцов рапса «000»-го типа по комплексу хозяйственно ценных признаков проводили изучение желтосемянных номеров в питомниках первого, второго года изучения и конкурсного сортоиспытания. Питомники закладывали по принятой во ВНИРГМК методике. В опытах проводили фенологические наблюдения. определяли высот} растений в фазу «конец цветения», массу 1000 семян. Масличность семян определяли методом ядерномагнитного резонанса (Е.Х. Аспиотис, В.И. Борисенко, 1975). Анализ жирнокислотного состава масла проводили методом газожидкостной хромотографии, общее содержание глюкозинолатов - титрометрическим методом с использованием хлористого палладия, модифицированного в отделе биохимии ВНИИМК. Лузжистость определяли по методу В.Г. Шелкоуденко и Г.С. Воскресенской, (1975). Общее количество белка в семенах определяли методом Кьедьдаля (1952), а содержание клетчатки в семенах по модифицированному методу Кгоргинера и Ганека (1952). Общее содержание углеводов в семенах определяли колориметрическим методом (Корманенко, Казанцева, 1986). Аминокислотный состав белка определяли методом кислотного гидролиза с помощью автоматического аминокислотного анализатора марки Т-339.
При статистической обработке результатов полевых и лабораторных опытов применяли дисперсионный и корреляционный анализ (Б.А. Доспехов, 1973).
Морфология цветка желтосемянного ярового рапса
Проведенные нами наблюдения показали, что цветки желтосемян-ного ярового рапса, также как и сизосемяного. собраны в кистевидное, иногда в щитковидное рыхлое соцветие, состоящее из 20-40 цветков. Цветки желтосемянных сортообразцов проходят такие же пять фаз развития, как и сизосемяяных (СЮ. Кравцов, 1985): 1) мелкий зеленый бутон, 2) средний зеленый бутон, 3) крупный зеленый бутон, 4) крупный желто-зеленый бутон и 5) раскрывшийся цветок.
При определении фаз развития бутонов имеет место большая доля субъективизма, поэтому в табл. 3.1. не представлены размеры среднего зеленого бутона.
На основании полученных результатов исследований установлено, что изучаемые сортообразцы желтосемянного ярового рапса значительно уступают в размерах бутонов цветков сизосемянным сортам. На протяжении всего периода развития бутонов, начиная с мелкого зеленого и заканчивая раскрывшимся цветком, наблюдаются существенные различия, как по длине, так и по ширине бутонов у растений «000»-го рапса в сравнении с рапсом «00»-го типа.
Анализ данных, полученных при определении размеров элементов цветка желтосемянного и сизосемянного ярового рапса, показал, что в одинаковых условиях цветки растений желтосемянных образцов имеют меньший размер лепестков венчика, более короткие тычиночные нити, пыльники, столбики с рыльцами и завязи. Наиболее существенная разница наблюдается по длине и ширине лепестков венчика, а также длине завязи (табл. 3.2.).
Вероятно, меньшие размеры бутона, цветка и его элементов желтосемянных сортообразцов рапса в большинстве случаев определяются му-таитной природой этого оригинального селекционного материала, поскольку, на начальных этапах создания желтосемянного рапса в скрещивания были вовлечены мутантные растения, имевшие узкие лепестки венчика, расположенные Х-образно. Кроме того, возможно, что использование в межвидовых скрещиваниях в качестве доноров желтосемянности горчицы и сурепицы, цветки которых мельче рапсовых, послужило причиной более мелких размеров цветков ярового желтосемянного рапса.
В ходе наблюдений нами обнаружены различия по форме рылец пестика у сортообразцов желтосемянного и сизосемянного рапса. Установлено, что у желтосемянного рапса округлая форма рьшец преобладает над трапециевидной (68% против 32 соответственно), а у сизосемянного процентное соотношение округлой и трапециевидной формы рылец равно 46:54 (рис, 3.1.,3.2.).
В связи с этим, вероятность принятия и удерживания пыльцы рыльцами пестиков цветков желтосемянного ранса выше, поскольку на округлой поверхности может разместиться больше частиц (в нашем случае пыльцевых зерен), чем на трапециевидной.
Этот феномен может быть связан в последующем со степенью реализации потенциальной продуктивности завязи цветка и, в конечном счете, с урожайностью желтосемянных форм.
При определении норм пространственной изоляции важно знать дальность переноса пыльцы ветром, ее морфологические особенности.
Изучение морфологических характеристик пыльцы желтосемянного рапса показало, что зрелые пыльцевые зерна имеют желтую окраску, округлую форму, пористую, сетчатообразную поверхность и мало отличаются по размерам от пыльцевых зерен сизосемянного рапса (табл. 3.3.). Следовательно, в смеси пыльцевые зерна желтосемянного рапса, которые имеют овально-элептическую форму, трудно отличить от уддиненно-элептических пыльцевых зерен сизосемянного рапса даже под микроскопом.
Цитологические исследования материнских клеток микроспор показали, что тип их образования у желтосемянного рапса такой же, как и у си-зосемянного, и носит симультанный характер. Мейоз в материнских клетках микроспор начинается в то время, когда длина пыльника едва достигает 0,5 мм, а размеры бутона составляют 1,0 мм х 1,0 мм. Сформировавшиеся пыльцевые зерна уже можно наблюдать в бутонах размером 3,0 мм х 2,0 мм. Однако, это еще не зрелая пыльца, ее созревание происходит на более поздней фазе развития бутона.
Для того чтобы определить степень реализации потенциальной продуктивности репродуктивных органов желтосемянного рапса, нами было подсчитано количество семяпочек в завязях его цветков и число семян, завязавшихся в одном стручке при свободном цветении.
Изучение наследования признака желтосемянности у гибридных семян Fi HF2
Многочисленные попытки создания рапса (Brassica napus) с константной желтой окраской семенной оболочки, предпринимаемые во многих ведущих селекционных центрах мира за последние 40 с лишним лет, до сих пор не привели к окончательному решению этого вопроса. Причиной тому является амфидиплоидное происхождение В. napus (ААСС), включающего в себя геномы В. canipestris (АА) и В. oleracea (СС), и, как следствие, сложный характер наследования признака желтосемянности. Основная проблема получения у рапса генетически стабильного признака желтой окраски семенной оболочки кроется в отсутствии в природе видов, которые бы имели в геноме СС гены устойчивой желтой окраски.
В процессе изучения желтосемянного рапса, полученного различными методами, нами было обнаружено, что независимо от происхождения цвет семян нестабилен и сильно варьирует от бледно-желтого до темно-коричневого. Это вносит ряд трудностей в селекционную работу, направленную на создание рапса с константной желтой окраской семян.
С целью усовершенствования методов селекции желтосемянного рапса мы провели исследования по изучению генетического контроля окраски оболочки семян. Нами были выполнены скрещивания между желто-семянными и сизосемянными формами В. napus по неполной диаллелъной схеме. В качестве исходного материала были взяты три желтосемянные линии различного происхождения: 21680, 25336 и 23453, и сизосемянный сортЯрвэлон, Для статистической оценки соответствия фактического расщепления теоретически ожидаемому применяли метод критерия значимо-сти хи-квадрат (х ).
Поскольку желтые и сизые семена на своей поверхности имели пятна и точки различной формы и окраски, существовала трудность в четком определении цвета семенной оболочки. Поэтому, условно семена были разделены на 2 класса: темноокрашенные и светлоокрашенные. В класс с темной окраской семенной оболочки были включены семена черного и всех оттенков коричневого цвета, а в класс со светлой окраской вошли семена с любыми оттенками желтого цвета.
Анализ цвета семян у ренипрокных гибридов, полученных в год скрещивания, показал, что во всех комбинациях, где в качестве материнского компонента была взята желтосемянная линия, гибридные семена имели желтый цвет, а в обратной комбинации - сизый. Это свидетельствует о том, что признак окраски оболочки семян Fi определяется генотипом матери (табл. 4.1.). Полученные данные согласуются с данными В. Chen (1984), М. Shirzadegan (1986) и J, Meng (1995), определившими, что семенной пигмент расположен в палисадном слое клеток семенной оболочки, которая происходит из интегументов материнской ткани.
В данном случае можно предположить, что наследование признака окраски семенной оболочки происходит через самовоспроизводящиеся элементы цитоплазмы (хромопласты и хлоропласты), отвечающие за синтез пигментов.
Для того чтобы определить в исследуемом материале общее число генов, определяющих окраску семян, и тип их взаимодействия, мы изучили характер расщепления гибридньтх семян по этому признаку в последующих поколениях.
Расщепление по окраске гибридных семян F2, полученных от реци-прокных скрещиваний сизосемянного сорта Ярвэлон с желтосемянной линией 21680 наблюдалось в соотношении 15:1. Это позволяет предположить, что темная окраска семян определяется двумя доминантными неал-лельными генами, а сочетание их рецессивных аллелей в гомозиготном состоянии определяет светлую окраску, причем взаимодействуют эти гены по типу двойного доминантного эпистаза.
