Содержание к диссертации
Введение
I. Современное состояние проблемы изучения экологии географии, систематики, интродукции и селекционной ценности культурного вида картофеля solanum andigenum juz.etbuk 10
1.1. История формирования вида S.andigenum и его филогенетические связи с другими видами рода Solanum L 10
1.2. Solanum andigenum Juz. et Buk. и система культурных видов картофеля 32
1.3. Полиморфизм S. andigenum и очаги его наиболее активного формообразования 38
1.4. Экология и география вида S. andigenum 42
1.5. Селекционная значимость S.andigenum 74
II. Материал и методика исследований 81
2.1. Материал для исследований 81
2.2. Методика исследований 82
2.3. Почвенно-климатические условия 87
III. Итоги и задачи интродукции аборигенных сортов solanum andigenum juz. et buk. в Россию 93
3.1. Происхождение форм S.andigenum, интродуцированных в коллекцию ВИР 97
3.2. География ценных для селекции признаков S. andigenum 105
3.2.1. Ареалы форм S. andigenum, устойчивых к грибным болезням... 107
3.2.2. Устойчивость S. andigenum к бактериальным болезням 129
3.2.3. Устойчивость S. andigenum к вирусным болезням 131
3.2.4. Устойчивость S. andigenum к нематодам 135
3.2.5. Ареалы высококрахмалистых форм S.andigenum 140
3.3. Итоги изучения образцов коллекции S. andigenum 142
3.4. Стратегия интродукции генетических ресурсов S.andigenum 151
IV. Биологические особенности вида S. Andigenum 162
4.1. Внутривидовая изменчивость S. andigenum по морфологическим признакам 162
4.2. Особенности онтогенеза S. andigenum 190
4.3. Реакция растений на длинный день 199
V. Использование генофонда s. andigenum в селекции картофеля 215
5.1. Особенности гибридизации S. andigenum 215
5.2. Исходный материал для селекции на устойчивость к болезням 226
5.3. Генетические источники устойчивости к картофельной нематоде 251
5.4. Исходный материал для селекции на продуктивность и качество клубней 257
5.5. Источники комплекса ценных признаков для селекции картофеля 270
Выводы 274
Практические рекомендации 276
Литература 278
Приложения 336
- История формирования вида S.andigenum и его филогенетические связи с другими видами рода Solanum L
- Происхождение форм S.andigenum, интродуцированных в коллекцию ВИР
- Внутривидовая изменчивость S. andigenum по морфологическим признакам
- Исходный материал для селекции на устойчивость к болезням
Введение к работе
Актуальность исследований. Одной из важнейших составляющих селекции растений являются данные о происхождении исходного материала, знание его видового и родового потенциала, амплитуды морфологических, физиологических, количественных и качественных различий в пределах вида. Согласно учению Н.И. Вавилова (1935) в основе научной селекции должны стоять ботанико-географические данные о сортовом потенциале видов и родов, а также данные об изменчивости, взаимоотношений среды и наследственности организма. Биологические особенности каждого вида неразрывно связаны с его эволюцией. Эволюционный процесс формирует все многообразие видовых систем и комплекс биологических признаков видов и поэтому имеет большое значение для решения как теоретических, так и практических задач селекции сельскохозяйственных культур.
Генетические ресурсы растений, состоящие из культурных видов и их дикорастущих родичей, являются ценным источником исходного материала для селекции. Создание сортов сельскохозяйственных культур, обладающих комплексом хозяйственно-ценных признаков является приоритетным направлением в растениеводстве и позволяет решить несколько проблем: повысить урожайность, улучшить качество и снизить себестоимость продукции.
Наиболее богатым источником ценного исходного материала для селекции картофеля являются дикорастущие и культурные виды, произрастающие в странах Центральной Америки. Одним из наиболее ценных и богатых по своему разнообразию является культурный тетраплоидный вид Solanum andigenum Juz. et Buk. Этот вид относится к серии Andigena Buk., секции Petota Dumort (Tuberarium Bitt) рода Solanum L., семейству Solanaceae, классу Magnoliopsida (Dicotyledones), подклассу Lamiiadae (Букасов, 1960). Он объединяет однолетние травянистые растения с прямостоячим стеблем и подземными столонами, на которых, в отличие от других видов, формируются наиболее крупные клубни. Клубни этого вида тысячелетиями используются населением Латинской Америки в пищу. Вид S. andigenum является одним из самых древних культурных видов рода Solarium L. Большинство ученых-солянологов сходится во мнении, что этот вид вошел в культуру земледелия через два - три тысячелетия после проникновения человека на в территорию Нового Света, т. е. примерно 10-12 тысяч лет до нашей эры. Поэтому S. andigenum является одним из основных прародителей культурного картофеля, употребляемого сегодня человеком. По мнению R. Plaisted (1977), X. Росса (1989), J. Hawkes (1998) и др., ни один из более 250 клубнеобразующих видов рода Solarium L. не дал так много для развития культуры картофеля во всем мире, как S. andigenum. Это обусловлено тем, что ни один клубнеобразующий вид рода Solanum L. не имеет такого широкого полиморфизма и такого широкого ареала по территории всей Центральной и Южной Америки, как S. andigenum (Лехнович, 1972).
Благодаря многочисленным экспедициям ВИР в страны Латинской Америки, проведенным в течение последних 75 лет Всероссийским НИИ растениеводства им. Н.И. Вавилова, собрана обширная коллекция диких и культурных видов картофеля, среди которых более 2700 образцами представлен вид S. andigenum.
Благодаря таким ценным признакам, как продуктивность, устойчивость ко многим заболеваниям и вредителям, а также высокое качество клубней, он используется населением Южной Америки в качестве столового картофеля, уже в течение многих тысячелетий. Его первоначальное окультуривание произошло в условиях высокогорных районов Перу и Боливии, откуда он распространился в другие районы не только этих стран, но и в горные районы Аргентины, Эквадора, Колумбии, Венесуэлы, Мексики и Гватемалы (Букасов, 1968; 1980). В результате широкого распространения и возделывания этого вида в различных экологических условиях, быстрыми темпами развивался его формообразовательный процесс, который обусловил исключительно широкий диапазон хозяйственно-йенных признаков (высокая продуктивность, устойчивость к болезням, вредителям, неблагоприятным условиям среды) в сравнении с остальными видами картофеля.
Результаты фундаментальных и прикладных исследований, отражающих научное и селекционное значение S. andigenum, широко публикуются в зарубежной и отечественной литературе. Однако до сих пор нет сведений о результатах комплексного его изучения, отражающих все аспекты биологических особенностей растений и селекционной значимости вида и связь его различных свойств с эколого-географическими факторами.
В связи с этим возникла необходимость целенаправленных исследований взаимосвязи факторов окружающей среды и широкого полиморфизма S.andigenum и такого же разнообразия его ценных признаков для селекции.
Цель и задачи исследований: Цель настоящей работы - провести комплексное изучение генетического разнообразия культурного тетраплоидного вида картофеля S. andigenum на основе всестороннего анализа эволюционных, эколого-географических и антропогенных предпосылок его полиморфизма, а также других биологических особенностей; дать современную оценку теоретической и практической значимости результатов его изучения; разработать стратегию его дальнейшей интродукции и использования всего разнообразия форм в селекции картофеля.
Для достижения поставленной цели необходимо было выполнить следующие задачи:
- проанализировать эволюционно-исторические предпосылки формирования культурного вида S. andigenum, влияния эколого-географических условий на полиморфизм и географию его формообразования и распространения, а также изучить роль данного вида в эволюции других видов картофеля;
- изучить географию распространения S. andigenum;
- установить взаимосвязь между морфологической изменчивостью и экологическими условиями произрастания S. andigenum;
- изучить характер изменчивости и степень наследования признаков
в половом потомстве;
- провести комплексную оценку ботанических, биологических и хозяйственно-ценных признаков внутривидовых таксонов и сортов
S.andigenum;
- на основе данных о местах сбора изученных образцов и географического картирования установить ареалы форм S.andigenum
и ценных для селекции признаков;
- на основе анализа результатов комплексного изучения генофонда S.andigenum разработать стратегию дальнейшей интродукции генетических ресурсов культурных видов картофеля;
- на основе результатов изучения коллекции S.andigenum выделить и создать исходный материал для дальнейшей селекции картофеля на продуктивность, качество клубней, устойчивость к патогенам и другие хозяйственно-ценные признаки; выделить генотипы, адаптированные к условиям длинного дня, обладающие комплексом биологических и хозяйственно-ценных признаков для селекции картофеля.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Широкий внутривидовой полиморфизм культурного вида S. andigenum — результат многовекового влияния эколого-географических и антропогенных факторов.
2. Установленные на основе географического картирования ареалы ценных признаков S.andigenum позволяют проводить целенаправленный поиск и интродукцию нового исходного материала для селекции.
3. Значительная часть форм S.andigenum в условиях длинного дня проявляет высокий уровень изменчивости и вместе с тем высокую адаптивную способность.
4. Широкое эколого-генетическое разнообразие форм & andigenum обусловило формирование у него широкого спектра ценных признаков для селекции картофеля.
5. Комплексное изучение всего внутривидового разнообразия S. andigenum значительно повышает эффективность поиска нового исходного материала для селекции картофеля.
Основные результаты исследований и их новизна.
Впервые в мировой практике проведено комплексное исследование биологических особенностей и селекционной ценности культурного вида картофеля Solanum andigenum Juz. et Buk. Дан анализ взаимосвязи эволюционных, эколого-географических, антропогенных факторов и биологических особенностей вида.
Впервые составлены карты ареалов различных форм S. andigenum и их хозяйственно-ценных признаков в странах Южной Америки.
Разработана стратегия дальнейшей интродукции генетических ресурсов культурных видов картофеля на примере S.andigenum.
Выявлены новые ценные признаки для селекции, присущие некоторым разновидностям S. andigenum. Выделены новые источники ценных признаков и свойств среди образцов этого вида, адаптированные к условиям длинного дня.
Использование выделенных источников в скрещиваниях позволило создать межвидовые гибриды, обладающие комплексом хозяйственно-ценных признаков - устойчивостью к фитофторозу, вирусам, а также высокими показателями продуктивности и качества клубней.
Теоретическая и практическая ценность работы. Полученные результаты комплексного изучения коллекции S. andigenum будут способствовать более эффективному использованию его ценных форм в селекции картофеля.
Исследование географического распространения S. andigenum и установленные ареалы форм с ценными признаками повысят эффективность поиска новых генетических ресурсов культурных видов картофеля.
Результаты исследований использованы для разработки теоретических основ интродукции генофонда картофеля и поиска генетических источников ценных для селекции признаков.
Предложена новая стратегия интродукции генетических ресурсов культурных видов картофеля на примере S. andigenum, которая дает возможность совершенствовать существующую систему мобилизации растительных ресурсов путем организации целенаправленных экспедиций по сбору ценных форм и эффективного взаимного обмена с другими генбанками картофеля.
Результаты анализа внутривидового полиморфизма S. andigenum позволят повысить эффективность выделения и создания исходного материала для селекции картофеля.
Выделенные источники хозяйственно-ценных признаков (устойчивости к патогенам, продуктивности, качества клубней и др.) и полученные с их использованием гибриды рекомендованы для использования в селекции.
Реализация результатов исследований Теоретические разработки по составлению ареалов ценных признаков S. andigenum используются в привлечении, изучении и сохранении всего разнообразия коллекции культурных видов картофеля. Выделенные в результате изучения образцы источники ценных признаков и созданные на их основе гибриды используются в качестве исходного материала селекционерами Российской Федерации, республик Беларусь, Казахстан и Узбекистан. Результаты комплексного изучения коллекции S. andigenum опубликованы в виде каталогов ценных образцов мировой коллекции картофеля ВИР (Вып. 707, 1999; Вып.738, 2002), методических указаний и разосланы в ведущие НИИ и селекцентры России. _ _ Все научные материалы приведенные в диссертации получены при непосредственном участии автора; анализ экспериментальных данных, разработки и теоретические положения выполнены им лично. Использование результатов исследований, проведенных совместно с другими исполнителями оговорено в соответствии с принятыми нормами и основано на совместных публикациях.
Автор считает своим долгом выразить глубокую благодарность за помощь и поддержку в работе д.б.н. Л.Е. Горбатенко.; д.б.н. Л.И. Костину; д. с/х.н Л.П. Евстратову; к.с.-х.н. Маковскую; к.с./х.н. М.В. Патрикееву; к.б.н. Т.Н. Смекалову; к.с.-х.н СВ. Палеха; В.П. Сдвижкову и всех сотрудников отдела генетических ресурсов картофеля ВИР.
История формирования вида S.andigenum и его филогенетические связи с другими видами рода Solanum L
Для познания биологии вида и его практической значимости важно установить подробную историю его формирования, выявить его эволюцию. Поскольку Solanum andigenum Juz. et Buk. является одним из самых первых культивируемых видов картофеля, есть основания полагать, что его эволюция была одной из самых длительных. Последние данные археологических раскопок (Ugent, 1983) указывают на то, что картофель был одомашнен от 10 до 12 тысяч лет тому назад в центральных Андах Южной Америки. По предположению J.Hawkes (1988), это был примитивный диплоидный вид Solanum stenotomum Juz. et Buk., происхождение которого связывают с дикорастущим видом S. leptophyes Bitt. Согласно гипотезе S. Brush (1980), культура картофеля в Андах началась примерно 8-10 тыс. лет назад. В 1970 году F. Engel (1970), в археологических раскопках одной из пещер каньона Чилка, в южно - центральной области прибрежного Перу, нашел остатки клубней картофеля в глиняных горшках. Эти пещеры расположены в 65 км к юго-востоку от Лимы в высоте 2800 метров. Изучение мумифицированных клубней, найденных в глиняных горшках, свидетельствует о том, что они относятся к культурным формам картофеля. Сенсационными оказались результаты биохимических анализов этих клубней. Величина крахмальных t зерен у них оказалась такой же, как у культурного вида S. andigenum и у ( селекционных сортов, в родословной которых он присутствует. Возраст пещеры был определен в 9000 лет (Ugent, Pozorski, 1983; Ugent, Peterson, 1988). Цитируемые авторы настаивают на том, что найденные остатки клубней принадлежат дикорастущим видам, вырытым ими вблизи жилищ. По версии F. Engel (1970), вследствие обогащения почвы органическими веществами, клубни диких видов могли быть намного крупнее. R. MacNeisch и др. (1975) считают, что это были уже отселектированнные клубни культурных видов, поскольку такие же жилища с остатками картофеля были найдены и в других местах Анд на высоте от 2500 до 4200м н. у. м. Очень важным является предположение D. Ugent (1987, 1988) о том, что к концу ледникового периода (от 8 до 12 тысяч лет до нашей эры) человек уже находился в западном побережье Южной Америки (от Венесуэлы до Чили). По его мнению, уже тогда человек собирал клубни диких картофелей для употребления в пищу и скорее всего это был дикий вид S. maglia Bitt. Согласно утверждениям Е.Н. Синской (1969), горные районы, сухие предгорья и плато тропиков и субтропиков Америки благоприятствовали развитию древнего земледелия и очагов возникновения и распространения культурных растений. Согласно утверждению K.Dodds (1966), первоначальным местом доместификации картофеля является Колумбия. Он связывает этот процесс с приходом сюда человека, следовавшего из Северной Америки в Южную через Панамский перешеек. B.C. Лехнович (1971) связывает начало доместификации картофеля с распространением человека с Севера на Юг, в лице охотников-собирателей, которые более 1000 лет до н.э. дошли до Южного Чили.
До сих пор открытым остается вопрос о том, формы какого культурного южноамериканского вида были впервые завезены в Европу - S. andigenum, S. tuberosum L. или других видов, культивируемых в то время местным населением. По мнению R. Salaman (1937), андийские аборигенные сорта картофеля, обладая высокой пластичностью к условиям произрастания, могли адаптироваться к условиям короткого дня и малым высотам в Европе, приобретая в результате такой адаптации внешние морфологические черты чилийских сортов.
Результаты исследований, проведенных в последнем десятилетии ХХ-го века (Contreras et al.,1993; Huaman, 1996; Spooner et al.,1998.,) указывают на то, что наиболее верной является гипотеза первичности интродукции S. andigenum в Европу из Анд, а также гипотеза происхождения S.tuberosum L. от адаптированных форм S. andigenum, завезенных также из Анд.
Геномный анализ, проведенный Т. Debener и др. (1990) методом RFLP, показал, что произрастающий только в Перу дикорастущий вид S. canasense Hawkes очень близок к виду S. andigenum. Это еще раз указывает на то, что S. andigenum имеет перуанское происхождение.
В центре происхождения многочисленных видов рода Solanum L. отчетливо прослеживается значение полиплоидии в эволюции картофеля. Горный рельеф стран Южной Америки, разнообразие условий влажности, тепла и почвенного субстрата обусловили мощный видообразовательный процесс, который обусловил появление большого числа видов полиплоидного ряда с кратным увеличением числа от 24 до 72 хромосом (Будин, 1979). Возникновению и сохранению полного полиплоидного ряда с таким числом хоромосом способствовала гибридогенная совместимость многих видов. Ареал примерно 60% всех известных ныне видов картофеля находится в регионе Перу - Боливия. Здесь наблюдается большое скопление видов на сравнительно небольшой территории, что создает благоприятные условия для межвидовой спонтанной гибридизации, которая часто приводит к полиплоидизации в результате функционирования нередуцированных гамет. Как отмечает К.З. Будин (1979), в роде Solanum L. такое явление наблюдается довольно часто.
N. Estrada Ramos (1980) довольно успешно провел эксперимент по искусственному ресинтезу, соответствующему схеме, указанной на рисунке 1.1.1, за исключением получения пентаплоидных клонов.
Чтобы подтвердить правильность этой гипотезы, в мире были проведены многочисленные научные эксперименты по межвидовой гибридизации, а также по ресинтезу ряда видов рода Solanum. Так, J. Hawkes (1972) экспериментально получил полную аналогию триплоида S. juzepczukii Buk(2n=36) от скрещивания S.acaule Bitt. (2n =48) х S. stenotomum Juz. et Buk (2n=48), ареалы которых в природе совпадают на больших высотах в Андах.
Происхождение форм S.andigenum, интродуцированных в коллекцию ВИР
Тетраплоидный вид Solanum andigenum Juz. et. Buk. представляет собой огромный резервуар генетических ресурсов, таящих в себе ценные признаки, необходимые для селекции картофеля. Как отмечалось выше, благодаря его многочисленным ценным качествам этот вид культивируется южноамериканским населением уже многие тысячелетия. Будучи интродуцированным в Европу, он стал привлекать внимание народных селекционеров различных стран и уже в ХІХ-м веке был использован в селекции новых сортов картофеля. Об этом свидетельствуют данные о скрещиваниях, проведенных К. Принглем в 1870-е годы (цит. Букасов СМ., Камераз А.Я., 1948).
На Венской выставке в 1836 г., среди представленных более 200 сортов картофеля было немало образцов андийского происхождения. По предположению B.C. Лехновича (1956) это были образцы культурных видов S.andigenum, S. stenotomum, S goniocalyx и др. В 1875 году на подобной же выставке в Альтенбурге (Германия) экспонировалось многие сорта завезенные из Боливии и Перу (B.C. Лехнович. 1970). И не удивительно, что классическая селекция новых сортов картофеля в Европе началась именно в Германии.
Морфологические признаки многих стародавних сортов, выведенных в этой стране свидетельствуют о присутствии в них типичных для S.andigenum морфологических признаков, особенно перуано-боливийских форм: высокий прямостоячий куст, узкие грубые доли, антоциановая окраска стебля, темная окраска листьев и их остроугольное расположение, мощная корневая система, длинные столоны и т.д.
Английские селекционеры тоже часто использовали в своей работе формы S. andigenum. В начале ХХ-го века с участием этого вида были созданы знаменитые сорта King Edvard VII, Epicur, Ever Good и др.
Первые успехи отечественной селекции тоже были связаны именно с культурным видом S.andigenum. В 30-е годы прошлого столетия один из талантливейших отечественных селекционеров, профессор И.А. Веселовский создал первые отечественные сорта, используя в качестве одной из родительских форм интродуцированных из Южной Америки клоны S. andigenum. Сегодня этот вид входит в родословную не менее 86 сортов России и стран СНГ (прил. 4).
По данным Л.И. Костиной (1982), за всю истории селекции картофеля с участием S. andigenum в мире было создано более 800 сортов, среди которых ценнейшие для селекционеров сорта, Antinema, Amaril, Cobra, Fortuna, Marijke, Sagitta, Schwalbe, Specula (Германия); Apta, Prevalent, Prominent, Saskia, Saturna (Нидерланды); Universal (Чехия); Diacol, Monserrate (Колумбия); Saco, Tava и Wauseon(CIUA) и многие другие.
Сорта Anett, Bison, Cosima, Delos, Fanal, Hydra, Isola, Rheihort, Saco, Saphir созданы с использованием 3-4 видов, одним из которых является S.andigenum (табл. 1.5.1). Все вышеперечисленные сорта, благодаря комплексу хозяйственно-ценных признаков, являются прародителями сотен современных сортов, созданных в последние десятилетия в ведущих картофелепроизводящих странах. Значение этого вида особенно возросло, после открытия форм S. andigenum с доминантной устойчивостью к картофельной нематоде. С использованием таких форм были созданы известные нематодоустойчивые сорта Antinema, Sagitta, Specula, Amaryl, Intenso и др. (Костина, 1982). S. andigenum - преимущественно поздний вид, однако его формы неоднократно были использованы для получения раннеспелых сортов. Благодаря сочетанию устойчивости к вирусу X с устойчивостью к золотистой картофельной нематоде Globodera rostochiensis, клоны S.andigenum британской коллекции СРС 1673 и СРС 1676 часто используются селекционерами разных стран при создании сортов с такими признаками. В разных странах были также созданы сорта с участием форм S.andigenum, обладающих генами устойчивости к отдельным или нескольким вирусам (А, X, Y, М, S, L). Высокая фертильность S. andigenum дает возможность широко использовать большинство таких форм в скрещиваниях. Одним из ценнейших качеств многих форм S. andigenum является высокое качество клубней, в особенности высокое содержание крахмала и белка. С использованием его форм в скрещиваниях, проведенных на Полярной опытной станции ВИР И.А. Веселовским и М.А. Вавиловой, были получены ранние и среднеранние высокоурожайные сорта для северных регионов Имандра, Хибинский ранний, Повировец и другие сорта. Гибриды с S.andigenum, созданные А.Я.Камеразом (1949), отличались весьма высокой крахмалистостью. При выращивании под Ленинградом содержание крахмала в клубнях этих гибридов доходило до 28 %, а урожай 1800г/куст и выше. Гибридизация с S. andigenum дает возможность повысить крахмалистость, используя даже малоурожайные формы, но обладающие другими ценными признаками. Широкий полиморфизм S.andigenum позволяет выбрать самые продуктивные генотипы, с желаемыми внешними признаками клубней, (форма, размер, окраска кожуры, глубина глазков, длина столонов, и т.д). А.Я. Камераз (1949, 1971, 1981, 1983) неоднократно отмечал ценность S. andigenum для селекции по таким признакам, как устойчивость к различным биотипам рака, макроспориозу, вертициллезу, парше серебристой и обыкновенной, ооспорозу, черной ножке, вирусам X, А, М. S, L, нематодам -Globodera rostochiensis Woll., Globodera pallida Stone, Ditilenchus distructor, морозо- и жаростойкость. А. Я. Камераз отмечал (Букасов, Камераз, 1959), что по жаровыносливости S. andigenum, превосходит S. tuberosum, объясняя этот факт более мощной корневой системой, меньшей листовой поверхностью и сильно рассеченными листьями у форм первого из них, к тому же менее нежных по своему строению. Жаростойкие гибриды с участием S. andigenum, были получены учеными Международного центра по картофелю CIP (Veilleux et al., 1997). В настоящее время там успешно ведется работа по вовлечению S. andigenum в селекцию сортов, пригодных для выращивания в условиях жаркого климата. Высокая адаптивность к условиям засухи была установлена у отдельных клонов S. andigenum в опытах N. Pallais (1999), проведенных в Международном центре картофеля (CIP, Перу). При этом содержание сухого вещества в клубнях имело положительную корреляцию с устойчивостью к засухе.
Внутривидовая изменчивость S. andigenum по морфологическим признакам
По своей вредоносности, фитофтороз стоит на первом месте среди всех болезней практически во всех странах, где выращивается картофель и есть оптимальные условия для развития этого патогена. Потери урожая от фитофтороза достигают иногда 40-50%. В связи с этим, селекция фитофтороустойчивых сортов по-прежнему остается самой актуальной.
Долгое время считалось, что устойчивые к фитофторозу виды произрастают только в Мексике, которая также считается «родиной» этой болезни. Однако исследования, проведенные за последнее десятилетие (van Soest, 1984; Estrada Ramos, 2000; Budin, 2002), показали, что генами устойчивости к фитофторозу обладают и виды, произрастающие в регионе первичного центра происхождения картофеля - Колумбии, Перу и Боливии. Кроме того, установлено, что формы видов различаются между собой по степени поражаемости - от высоко устойчивых до сильно восприимчивых (Будин, Гавриленко, 1994; Budin, 2002). По всей вероятности, в этих широтах, где встречаются устойчивые формы, происходил наиболее интенсивный естественный отбор в условиях, благоприятствовавших размножению возбудителя болезни - гриба Phytophtora infestans. По мнению К.З. Будина (1986), в этой части ареала S. andigenum внешние условия благоприятствовали мутационному изменению генотипов растений, отбору и выживанию их в условиях сильной инфекционной нагрузки спор гриба Phytophtora infestans.
Согласно исследованиям Международного центра по картофелю (Estrada Ramos, 2000), в плоскогорье Рио-Негро (Колумбия) также имеются благоприятные экологические условия для развития гриба. Именно в этих регионах для данного патогена сложились исключительно благоприятные условия (умеренная температура и высокая влажность), которые способствуют возникновению и размножению агрессивных рас возбудителя. Симбиоз растения-«хозяина» (видов Solanum L.) и его паразита - гриба Phytophtora infestans в течение многих поколений благоприятствовал возникновению новых его биотипов и более стойких против него форм картофеля.
Существует два типа устойчивости видов рода Solanum L. к фитофторозу: сверхчувствительная реакция и горизонтальная (полевая или инкубативная устойчивость). R-генами сверхчувствительного типа устойчивости обладают некоторые дикорастущие виды картофеля. Эти гены определяют сверхчувствительность растений к отдельным расам гриба.
Полевая устойчивость носит полигенный характер (Van der Zag, 1959; Hodgson, 1961; Thurston et. al 1962; Toxopeus, 1964; Umaerus, 1970; Estrada Ramos, Gusman, 1990; Estarda Ramos, 2000; Яшина, 2000). Она состоит из различных компонентов и основана на четырех процессах: 1) устойчивость к проникновению гриба; 2) устойчивость к развитию гриба (способность подавлять развитие спорангиев); 3) устойчивость к споруляции; 4) устойчивость к поражению, причем каждый из этих процессов контролируется отдельным геном (Hopfe, 1962; Black, 1970; Killik, Malcolmson, 1970). Кроме того, полевая устойчивость растений может определяться как совместным действием всех перечисленных факторов, так и одним из них. К.З. Будин (1986) отмечал, что полевая устойчивость контролируется генетической системой, состоящей из второстепенных генов, без четких признаков доминирования.
L.Turkenstein (1979) связывает полевую ("инкубативную") устойчивость с взаимодействием генов хозяина и паразита. По данным W. Hodgson (1961), устойчивость сорта Sebago основана только на устойчивости к проникновению спор.
После обнаружения дикорастущих видов картофеля, обладающих генами, контролирующими устойчивость к фитофторозу, селекцию по этому признаку стали строить на основе сверхчувствительности. Однако известно, что везде, где есть условия для развития этого патогена, через определенное время появляются новые расы и с каждым годом их число становится все больше (Журомский, 2003). Сорта, устойчивые к одним расам, поражаются другими, вновь появившимися. Поэтому продолжать селекцию только на основе лишь одной сверхчувствительности определяемой наличием R- генов не целесообразно. В связи с этим, в последние годы генетики и селекционеры ориентируют свою работу на создание сортов с нерасоспецифической (полевой) устойчивостью (Umaerus, 1994, Колобаев, 2001), с целью обеспечения их долговременности. Более того, по мнению некоторых исследователей (Estrada Ramos, Gusman, 1990; Estarda Ramos, 2000) комбинирование двух типов устойчивости считается наиболее надежным против агрессивных рас гриба. И хотя полевая устойчивость является более сложным признаком при отборе гибридного материала, чем сверхчувствительность, в настоящее время селекционеры уделяют наибольшее внимание первому типу, как наиболее надежному, в плане обеспечения долговременности сорта.
Обобщая результаты своих исследований, V. Umaerus (1969; 1971; 1994) указывал на то, что именно устойчивость к внедрению паразита играет основную роль в защитном механизме растения. Он также пришел к выводу, что именно таким типом устойчивости обладают селекционные клоны, собранные в Мексике. Однако, по его же гипотезе (Umaerus V., Umaerus М., 1994) возбудитель гриба Phytophtora infestans имеет андийское происхождение, и накопление генов полевой устойчивости происходило в течение длительного и жесткого отбора. Поэтому в андийском регионе гриб существовал в течение долгого времени.
Источники высокой полевой устойчивости к фитофторозу среди форм S. andigenum в разное время были выделены как зарубежными (Ross, Baerecke, 1951; Niederhauser, 1956; Heidrick, Thurston, 1957; Ross, 1958; Thurston et al., 1962; Guzman, 1966; 1990; Nilsson, 1981; van Soest et al.,1984; Landeo, J.A.,1996 Estrada Ramos, 1969,2000; Mendoza et al., 2000), так и отечественными исследователями (Морозова, 1987; Храмцова, Земцова, 1988; Budin, 2000; Кіш, 2000; 2002; Киру, 2001 и др.; Сдвижкова и др.,2001).
Исходный материал для селекции на устойчивость к болезням
Таким образом, каждая пара проверенных образцов была получена из потомства размноженного оригинального образца. Тождества этих материалов отражены в таблице 3.4.4.1. Для исследований (RAPD) было использовано по 100 семян каждого дублетного образца (дубликата) из коллекции каждой коллекции картофеля - ВИР и Национального генбанка картофеля США (далее НГБК). Каждая партия была разделена на две повторности, по 50 семян каждая. Сеянцы выращивали в горшочках в теплице. До пересадки растения сеянцев каждой дублетной пары были изучены визуально, с целью выявления различий в развитии проростков, а также величине и форме листьев, высоте растений, наличии альбиносных или химерных растений. Для проведения RAPD анализа листовая масса пробы каждого растения была гомогенизирована для изоляции ДНК (согласно методике A. del Rio, 1997). Сравнения дублетов были основаны на усредненных данных по 137 уникальным полосам. Все полученные четкие фрагменты использовали для сравнения дублетных копий в пределах каждого образца. Каждый фрагмент ДНК у каждого образца был сопоставлен по принципу присутствия или отсутствия доминантного аллеля в случайном амплифицированном локусе. С целью определения степени генетического сходства (далее ГС), которая рассчитывалась, как частота локусов с совпадающими фрагментами, проводилась статистическая обработка данных для каждого набора предполагаемых дубликатов. Значения ГС были рассчитаны как между повторностями (далее ГСП) образцов из одного и того же генбанка, так и между повторностями образцов разных генбанков. Ожидаемое распределение наблюдаемых значений (ГСП) соответствует биноминальному распределению (0,998) с использованием х2- Из-за низкой энергии прорастания семян многих проб только 25 из 35 первоначально взятых пар могли быть соответственно сравнены, используя RAPD анализ. Таблица 3.4.4.1 показывает результаты определения генетического сходства, как между повторностями образцов одного генбанка, а также между повторностями образцов ВИР и НГБК. ГС подсчитанное между повторностями образцов одного генбанка составило 99,8%. Это указывает на то, что используемая методика позволила получить стабильные RAPD этих популяций. Было установлено, что распределение значений ГС в пределах повторностей соответствует ожидаемому биноминарному распределению при р 0,998 (%2 =92%). Это означает, что отклонения в значениях (ПГС) хорошо объясняется случайными эффектами. Значение ГС 0.975 означает, что вероятность появления случайных отклонений в анализируемом образце меньше 0,005 (5%). Следовательно, различия между предполагаемыми дублетными образцами из разных генбанков при значениях ГС 0,975, можно рассматривать как существенные. 23 из 25 сравнений предполагаемых дубликатов из разных генбанков имели значения коэффициента ГС ниже 0, 975.
При визуальной оценке сеянцев перед пикировкой у дубликатов было установлено различие физиологического характера. Наличие альбиносных растений и отклонения по морфологическим признакам, установленные у одного из образцов, является очевидным подтверждением генетических различий. Однако, вероятно, различия такого типа не могут быть выявлены с помощью RAPD анализа. Вполне вероятно, что образцы из НГБК также могут содержать рецессивные альбиносные аллели, но, возможно, с более низкой частотой, так, как ни один из проанализированных сеянцев не имел рецессивных аллелей в нуллиплексе (аааа). Мы полагаем, что RAPD анализ не обнаружил возможные изменения в аллельных частотах кроме тех случаев, когда аллели выявлялись как RAPD фрагменты, не были выявлены в действительности и были полностью потеряны. Таким образом, методом RAPD анализа обнаружены только достаточно сильные различия между образцами из разных генбанков, которые выявлялись как аллели в одном из сравниваемых образцов. Значения коэффициентов ГС, установленные между повторностями соответствуют биноминальному распределению для р 0,998 п=137, являются весьма хорошими. Но, поскольку биноминальные различия в распределении не везде симметричны, это оценивается как гипотетическое среднее значение показателя для данной популяции, в то время, когда лучшее значение ее оценки показывает коэффициент ГС чуть ниже 0,998. Такие образцы, по всей вероятности будут особенно подвержены генетическим изменениям.
Следует отметить, что ранее К. Hosaka и R. Hanneman (1991) установили у большинства проверенных образцов культурного вида S. andigenum чрезвычайно высокую изменчивость на белках его семян. Это подразумевает генетическую разнородность в пределах популяций, что указывает на высокую вероятность генетического «дрейфа». Некоторые исследователи полагают, что ряд фрагментов, выявляемых при анализе больших популяций не может быть выявлен при анализе небольших выборок растений (Gilbert, 1999; Divaret et al., 1999). Однако в работе A. del Rio и J. Bamberg (1998), A. del Rio et al., (1997); J. Bamberg et al., (1999), где использовались очень гетерогенные виды, показано, что практически всегда выявляется наличие фрагментов, даже в одном растении из 24. Другие исследователи также подтверждали эффективность обнаружения RAPD аллелей (Tinker, 1994, Williams, 1993). Есть несколько объяснений факту, почему выявление фрагментов, встречаемых с низкой частотой не является значительным преимуществом. Такие редко встречаемые фрагменты очень склонны попадать в ранг ошибки выборки растений. Выявление фрагментов с низкой частотой встречаемости (ниже 1:20) кажется маловероятным фактом, так, как не больше чем 20 растений используется для репродукции семян в данных генбанках картофеля. Кроме того, мы также должны иметь ввиду, что различия между дубликатами из разных генбанков выявлены по случайным ДНК маркерам, а не по хозяйственно-ценным признакам.
