Введение к работе
Актуальность темы. Одной из важных проблем в селекции полевых культур является создание новых сортов и гибридов, обладающих комплексом хозяйственно полезных признаков и ценных биологических свойств Приоритетным направлением при этом по-прежнему остается сокращение сроков их создания
Известно, что в основе селекционного улучшения растений лежит исходное генетическое разнообразие и методы генетической реконструкции полезных признаков (Железное, 2000)
Н И Вавилов (1966) был первым, кто в полной мере оценил значение исходного материала для создания новых сортов Его идея о мобилизации мировых естественных ресурсов видов растений в настоящее время получила новое звучание
На современном этапе прогресс в селекции растений невозможен без использования новых методов и технологических решений, позволяющих ускоренно создавать разнообразные генотипы, которые могут служить в качестве исходного материала с новыми признаками и свойствами
Для создания нового исходного материала перспективно использование различных методов и приёмов радиационного мутагенеза
Одним из таких эффективных приемов, используемых в работе с разными культурами, является опыление облученной пыльцой (Жужжалова, 1999, Жученко, 2003), которое обеспечивает возможность усиления формообразовательного процесса, преодоления нескрещиваемости при отдаленной гибридизации, самонесовместимости, стимуляции апомиксиса, индукции трансформации, способствуя, таким образом, наиболее быстрому созданию гомозигот, резкому сокращению объема работ при отборе и повышению его эффективности (Дрягина, 1985, Seman, 1983, Петров, Сухарева, 1985, Андрейченко, Гродзинский, 1986, Мохно, Братухина, 2003, Давыдова, 2003, Литвинова, Давыдова, 2003)
Однако реализации потенциальных возможностей индуцированного мутагенеза у сахарной свёклы препятствует отсутствие общей методологии использования данного явления, а также простых и надёжных способов ускоренного массового получения гомозиготных линий и их идентификации
В последние годы селекция сахарной свеклы направлена на сочетание адаптивного потенциала сортов и гибридов с их высокой продуктивностью Эта, несомненно, трудная задача может быть решена на основе нового исходного материала, так как генетический пул современных сортов и гибридов в большинстве случаев весьма ограничен (Жученко, 1988, 1990)
В связи с этим большую актуальность приобретает проблема разработки новых подходов и совершенствование методов создания исходного материала сахарной свёклы, совмещающего высокую урожайность с другими хозяйственно ценными признаками и свойствами и направлений его селекционного использования
Все это определяет важность и необходимость проведения данной работы
Цель исследований заключалась в разработке теоретических и прикладных основ создания нового исходного материала с использованием индуцированного апомиксиса, а также формирования на его основе высокопродуктивных гибридов сахарной свеклы
Для реализации данной проблемы было предусмотрено решение следующих задач:
-
Исследовать влияние различных доз гамма-облучения пыльцы донора на процесс оплодотворения и формирования семян у сахарной свеклы
-
Изучить особенности формирования матроморфного и андрогенного потомства при проведении индуцированных опылений
-
Разработать эффективный способ создания гомозиготных гамма-линий с использованием облученной пыльцы и генетического маркирования, сформировать на его основе гомозиготные гамма-линии, и провести их гене-тико-селекционное изучение
-
Установить характер изменчивости и наследования признака раз-дельноплодности у гамма-индуцированных линий сахарной свёклы
-
Исследовать особенности проявления признака ЦМС у гамма-линий сахарной свёклы
-
Разработать технологию эффективного использования апомиктич-ных гамма-линий в селекционном процессе сахарной свеклы
Научная новизна исследований. Теоретически разработаны и практически реализованы селекционно-генетические аспекты создания нового исходного материала сахарной свёклы на основе индуцированных опылений облучённой пыльцой Для сахарной свёклы установлено, что гамма-облучение избирательно повреждает хромосомный аппарат пыльцы донора, в результате чего стимулирует псевдооплодотворение и вызывает появление растений, наследующих признаки материнского родителя
Впервые теоретически обоснованы оптимальные дозы для маркированного тестера культурной свёклы - Red tester в 1000 — 1500 Гр, для диких видов свеклы Beta corolhflora Z и Beta tngyna W et К — 1500 — 2000 Гр, послужившие принципиальной основой для разработки способа ускоренного получения гомозиготных линий (Ас № 1708210), позволившего создать новый исходный материал, отличающийся ценными селекционно-генетическими характеристиками
Молекулярно - генетическим анализом показано, что опыление пыльцой дикой свёклы В corolhflora Z обеспечивает передачу генетического материала из мужских гамет в женские по типу «трансформации», в результате чего возникают матроморфные растения с изменениями лишь по некоторым признакам, что послужило основанием для создания гомозиготного материала сахарной свёклы
У гамма-линий сахарной свеклы выявлены эмбриологические особенности проявления диплоспории, что выражается в нарушении или отсутствии процесса мейоза в мегаспороците и формировании диплоспорических заро-
5 дышевых мешков Получены оригинальные данные по сходству и различию эмбриологического развития апомиктичных растений в сравнении с амфи-миктичными Эмбриологически подтверждено у сахарной свеклы наличие агамоспермного пути образования семян наряду с нормальным циклом полового размножения, проявляющегося в виде гаметофитного апомиксиса и адвентивной эмбрионии
Впервые установлены закономерности проявления признаков стерильности и закрепительной способности у апомиктичных самостерильных и са-мофертильных форм сахарной свеклы. Это позволило на принципиально новой основе проводить ускоренное создание гомозиготных раздельноплодных линий О - типа
Экспериментально показано, что признак раздельноплодности у гамма-индуцированных линий передается по материнской линии Это расширяет и углубляет теоретические представления о природе данного признака, и имеет важное значение в практической селекции при проведении скрещиваний и отборе ценных генотипов с высокой степенью его проявления
Разработана методология генетико-селекционного использования апомиктичных гамма-линий сахарной свеклы Экспериментально доказано, что атомистический способ семярепродукции в сочетании с гибридизацией, отбором, молекулярным маркированием является эффективным средством ускоренного выведения новых гибридов, создания исходного материала в селекции на высокую продуктивность и другие ценные признаки
Впервые предложена оригинальная технологическая схема использования апомиктичных гамма-линий в селекционном процессе сахарной свеклы, позволившая создать гибридные комбинации, проявляющие гетерозис в ряду поколений
Практическая ценность и реализация результатов исследований.
Наиболее перспективные, маркированные по изоферментному составу гамма-МС-линии и гамма-линии-опылители закрепители стерильности О-типа зарегистрированы в селекцентре ВНИИСС в качестве нового исходного материала и используются как компоненты создаваемых гибридов
Выявленные цитоэмбриологические особенности апомиктичных растений сахарной свеклы могут быть использованы в качестве маркерных признаков при отборе апомиктичных форм и представляют практический интерес для совершенствования селекционной работы
Селекционная ценность апомиктичных гамма-линий заключается в возможности использования их при разработке новых селекционных программ, основанных на применении элементов апомиктичного размножения Апомиктичные гамма - линии рекомендуется использовать в селекционном процессе сахарной свеклы для получения гибридов разных направлений продуктивности
Создан и включён в Государственный реестр селекционных достижений России перспективный гибрид РМС — 90, (А с № 31185) с использованием маркированной по изоферментному составу гамма-линии у - РФ - 2113, превышающий стандарт по урожайности корнеплодов на 18,6 % и сбору са-
хара на 17,3 % Получены патенты на селекционное достижение РФ на 7 линий сахарной свёклы №№ 2708, 2709, 2710, 2711, 2712, 2713, 2785, являющихся исходными формами создаваемых перспективных гибридов По данным экологического сортоиспытания предложены для передачи в ГСИ два апомиктичных гибрида, сохраняющих гетерозис в поколении Fi и F2
Внедрение предлагаемых нами научно-обоснованных технологий создания, поддержания и размножения исходного линейного материала в практическую селекцию позволит ускоренно получать гомозиготные генетически стабильные линии и сократить продолжительность селекционного процесса при создании гибридов в 2 — 3 раза
Разработанные в процессе исследований методические подходы апробированы и могут быть использованы в учебных программах по биологии, цитологии, генетике, селекции и семеноводству в высших и средних учебных заведениях Полученный в работе новый исходный материал сахарной свеклы также может использоваться в дальнейших фундаментальных и прикладных исследованиях.
Положения, выносимые на защиту:
экспериментальное обоснование использования облученной гамма-радиацией пыльцы для стимуляции неоплодотворённой яйцеклетки и индуцирования диплоидного матроморфного потомства у сахарной свеклы,
эффективный способ получения гомозиготных линий сахарной свёклы, основанный на использовании облученной пыльцы и генетическом маркировании,
созданные гамма - линии, обладающие высокой раздельноплодно-стью, способностью закреплять ЦМС и склонностью к апомиктическому размножению,
технологическая схема создания гибридов сахарной свёклы, основанная на использовании в селекционном процессе индуцированного апомикси-са
Апробация работы. Результаты исследований ежегодно докладывались на заседаниях ученого Совета ВНИИСС (1983 - 2006 гг), Всесоюзной конференции по физиолого-генетическим проблемам интенсификации селекционного процесса (Саратов, 1983), Третьей Всесоюзной конференции по экологической генетике растений и животных (Кишинёв, 1987), Втором Российском симпозиуме по новым методам биотехнологии растений (Пущино, 1993), Международной конференции по молекулярно-генетическим маркерам и селекции растений (Киев, 1994), Международном симпозиуме по апо-миксису растений (Саратов, 1994), Всероссийском выставочном центре «Наука-АПК» (Москва, 1995), Российской выставке «Фермер - 1995» (Москва, 1995), Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения АЛ Мазлумова (Рамонь, 1996), II (X) съезде Русского ботанического общества (Санкт-Петербург, 1998), II съезде Вави-ловского общества генетиков и селекционеров (Санкт-Петербург, 2000), IV Международном симпозиуме «Новые и нетрадиционные растения и перепек-
7 тивы их использования» (Пущино, 2001), Международной научно-практической конференции, посвященной 80-летию ВНИИСС, «Научное обеспечение устойчивости свекловодства в России» (Воронеж, 2003), Международной научно-практической конференции «Факторы экспериментальной эволюции организмов» (Киев, 2003), Международной научно-практической конференции «Приоритетные направления в селекции и семеноводстве сельскохозяйственных растений в XXI веке» (Москва, 2003), Ist Joint IIRB - ASSBT Congress (San-Antonio, 2003), III Съезде Всероссийского общества генетиков и селекционеров «Генетика в XXI веке современное состояние и перспективы развития» (Москва, 2004), XIII Международном симпозиуме «Нетрадиционное растениеводство Эниология Экология и здоровье» (Алушта, 2004), IV Московском международном конгрессе «Биотехнология состояние проблемы и перспективы развития» (Москва, 2007), Межрегиональной научно-практической конференции, посвященной 120-летию со дня рождения Н.И Вавилова и Н А Успенского «Селекция и семеноводство полевых культур в XXI веке» (Воронеж, 2007) Экспериментально созданный материал демонстрировался во Всероссийском Выставочном Центре (ВВЦ) и отмечен медалью «лауреат ВВЦ» (1996)
Экспериментальные данные получены автором самостоятельно или при его непосредственном участии, которое выразилось в подборе, создании, оценке исходного материала и гибридов сахарной свёклы на его основе, выборе методов и техники проведения исследований, обработке результатов, интерпретации экспериментальных данных, и формулировании выводов
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 37 работ, 8 из которых в списке изданий, рекомендованным ВАК РФ, 1 монография, 1 авторское свидетельство на изобретение, 11 рационализаторских предложений по работам в области селекции сахарной свёклы, 1 авторское свидетельство на гибрид сахарной свеклы РМС - 90, 7 патентов на селекционные достижения РФ
Структура и объём диссертации Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов, практических рекомендаций, списка литературы, включающего 461 источник, в том числе 128 на иностранных языках и приложения Работа изложена на 313 страницах компьютерного текста, содержит 78 таблиц, 55 рисунков, 5 приложений, включающих таблицы, свидетельства на линии, авторское свидетельство на изобретение, авторское свидетельство на гибрид сахарной свеклы и патенты РФ на селекционное достижение
Автор выражает глубокую и искреннюю признательность за оказание консультативной помощи при выполнении данной работы доктору с -х наук, член-корр РАСХН Корниенко А В , доктору биологических наук Жужжало-вой Т П , доктору с.-х наук Ошевневу В.П , кандидату биологических наук Агафонову Н С , кандидату с -х наук Мазепину М Г , доктору биологических наук Федуловой Т П, кандидату биологических наук Фоменко Н Р , а также всем сотрудникам отдела биотехнологии ВНИИСС, принимавшим участие в подготовке и выполнении данной работы
