Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Обзор литературы 7
1.1. Отдалённая гибридизация 7
1.2. Цитогенетические особенности несовместимости при отдалённой гибридизации IО
1.3. Методы преодоления нескрещиваемости при отдалённой гибридизации 13
1.4. Хозяйственно-биологические особенности отдалённых гибридов 23
1.4,1. Устойчивость к абиотическим и биотическим факторам 23
1.4.2 Особенности роста и плодоношения отдалённых гибридов 38
Глава II. Цель, задачи, объекты, методика и условия проведения исследований 43
2.1. Цель и задачи исследований 43
2.2. Объекты и методика исследований 43
2.3. Условия проведения исследований 48
Глава III. Цитогенетнческис особенности межродовых отдалённых гибридов семечковых культур 53
3.1. Хромосомный состав и особенности мейоза при микроспорогенезе 69
Глава IV. Повышение эффективности отдалённой гибридизации
4.1. Использование физиологически активных веществ для преодоления нескрещиваемости при отдалённой гибридизации 69
4.2. Использование ультрафиолетового излучения для преодоления нескрещиваемости при отдалённой гибридизации 85
4.3. Применение культуры in vitro зародышей для повышения эффективности отдалённой гибридизации 89
Глава V. Устойчивость межродовых отдалённых гибридов семечковых культур к абиотическим факторам 102
5.1. Оценка устойчивости по компонентам зимостойкости 102
5.1.1. Устойчивость к низким температурам в осенне-зимний период 106
5.1.2. Устойчивость к низким температурам в середине зимы 112
5.1.3. Устойчивость к резким перепадам температуры после оттепели
5.1.4. Способность восстанавливать морозостойкость при повторной 115 закалке после оттепели 118
5.1.5. Устойчивость по комплексу компонентов зимостойкости 121
5.2.1. Засухо- и жароустойчивость
Глава VI. Устойчивость отдалённых межродовых гибридов к биотическим факторам 128
6.1. Устойчивость к парше и мучнистой росе
Глава VII. Особенности роста межродовых отдалённых гибридов семечковых культур 137
Глава VIII. Экономическая эффективность 139
Выводы 142
Рекомендации для производства и селекции 143
Список литературы
- Отдалённая гибридизация
- Методы преодоления нескрещиваемости при отдалённой гибридизации
- Хромосомный состав и особенности мейоза при микроспорогенезе
- Использование физиологически активных веществ для преодоления нескрещиваемости при отдалённой гибридизации
Введение к работе
Одной из актуальных проблем современной биологии является наиболее рациональное освоение и обогащение растительных ресурсов Земли, создание высокопродуктивных сортов и форм растений. В решении данной проблемы важное место занимает отдалённая гибридизация, которая играет весьма существенную роль в эволюции, генетики, селекции и формообразовании растений.
Исследования в области отдалённой гибридизации раскрывает взаимосвязь теории и практики. Академик Н.В. Цицин (1970), отмечая большое значение для селекции отдалённой гибридизации, подчёркивал, что она позволяет сочетать ценнейшие свойства и признаки, разобщённые в ходе многовековой эволюции, а так же создаёт огромное, ни с каким другим скрещиванием не сравнимое, новое разнообразие гибридных потомств, представляющее громадный материал для применения искусственного отбора.
Поскольку отдалённая гибридизация способствует более полному использованию мировых генетических ресурсов в селекции растений, то её роль в России особенно велика. Как известно, большая часть земледельческих территорий России находится в неблагоприятных почвенно-климатических и погодных условиях. Не случайно, прошлый век в нашей стране стал не только масштабным в селекции на основе отдалённой гибридизации, но и началом формирования её теоретических основ. Работы отечественных учёных Г.К. Мейсмера (1930), Н.И.Вавилова (1935), Г.Д. Карпеченко (1935), И.В.Мичурина (1948), П.М.Жуковского (1971), Н.В. Цицииа (1981) и других в области отдалённой гибридизации растений получили всеобщее признание и во многом способствовали тем крупным успехам, которые были достигнуты селекционерами других стран мира.
Отдалённая гибридизация имеет большое значение для растений, размножаемых вегетативно. Это в первую очередь связано с тем, что, создав однажды растение, сочетающее геномы двух и более видов, за счёт вегетативного размножения можно бесконечно долго поддерживать созданную форму.
Так, И.В. Мичурин (1948) и Лютер Бербанк (1955) добились значительных успехов, широко используя отдалённую гибридизацию в плодоводстве.
Таким образом, отдалённая гибридизация раскрывается в качестве эффективного метода изменения наследственной природы культивируемых растительных организмов, на основе которого создаются высокопродуктивные сорта с комплексной устойчивостью к неблагоприятным абиотическим и биотическим факторам, высоким качеством плодов с ценным биохимическим составом. Однако при отдалённых скрещиваниях исследователи сталкиваются с рядом проблем, главные из которых — репродуктивная изоляция разных видов и функционирование различных генетических механизмов, а так же аномалии в росте и развитии гибридных растений.
В этой связи тема диссертации весьма актуальна, т. к. предполагает усовершенствование методов повышения эффективности отдалённых скрещиваний и изучение биологических и хозяйственных особенностей отдалённых гибридов. Это позволит более чётко представить закономерности отдалённой гибридизации.
Отдалённая гибридизация
История развития селекции показывает, что одним из наиболее ценных путей развития родового потенциала хозяйственно-ценных признаков растений является отдалённая гибридизация. Для многих исследователей всегда представлялось заманчивым создание новых форм культурных растений, в которых были бы объединены с хозяйственной точки зрения признаки разных видов и родов. Принципиальная значимость метода отдалённой гибридизации, по словам Н.В. Цицина (1981, с- 6), заключается в том, что «он позволяет экспериментатору использовать наследственность — величайшую силу природы, даёт начало формообразовательным процессам, идущих в самых различных направлениях, это позволяет селекционеру управлять ходом развития жизненно важных процессов по своему усмотрению».
Значение отдалённой гибридизации в жизни человечества становится очевидным, если учесть, что из насчитываемых в настоящее время 250 тыс. покрытосеменных растений, человеком широко используется в культуре немногим более 500, или только 0,2% (Жученко, 2001).
Одним из основоположников работ по отдалённой гибридизации является И. Кельреитер (1940), которому удалось вырастить гибриды между двумя видами табака (Nicotiana paniculata х N. rustica). Им получены гибриды между более чем 50 видами растений. Опыты И. Кельрейтора показали, что при внутривидовой гибридизации потомство плодовито, а от межвидовых скрещиваний гибриды отличаются по степени фертильности, плодовитости, которая может служить характеристикой близости родительских видов; путём повторных скрещиваний преодолевается стерильность F1; некоторые гибриды отличаются гетерозисом. Кельреитер рекомендовал ежегодно получать семена стерильных, но практически ценных гибридов между N. paniculata х N. rustica. Им же определено, что своя пыльца не участвует в опылении этих видов. Его работы легли в основу учения о гибридизации растений, хотя развитие генетики как науки началось значительно позже.
Выдающиеся достижения в отдалённой гибридизации плодовых растений принадлежит Л. Бербанку (1955). Он привлёк в работу более 2,5 тыс. видов, разновидностей и форм растений. Особых успехов Бербанк добился в получении многочисленных и высококачественных слив, в том числе бескосточковой.
Многолетняя работа И.В. Мичурина (1948) показывает важную роль отдалённой гибридизации в селекции плодовых растений при условии использования большого видового разнообразия исходного материала. И.В. Мичурин вывел большое количество сортов плодовых растений от межвидовых скрещиваний, много сделал по получению межродовых гибридов плодовых растений и разработал эффективную методику преодоления нескрещиваемости при отдалённой гибридизации.
Идеи И.В. Мичурина были широко подхвачены его учениками и соратниками, которые методом отдалённой гибридизации получили много высококачественных сортов различных плодовых и ягодных культур, в частности яблони - П.А. Жаворонков (1938, 1956, 1971), Н.И. Савельев (1998), груши -Е.Н.Седов (1977), П.Н.Яковлев (1992), сливы, алычи и абрикоса -А.Н. Веньяминов, Г.В.Ерёмин (1969, 1986), вишни - О.С.Жуков, Е.Н. Харитонова (1988), земляники - А. А. Зубов (2004) и др..
Важнейшие работы академика Н.И.Вавилова (1935) посвящены значению межвидовой гибридизации в эволюции и селекции. Он осветил проблему происхождения культурных растений, показал значение диких плодовых в генезисе культивируемых сортов. Под руководством Н.И. Вавилова собран огромный генофонд, служащий до настоящего времени источником для отдалённой гибридизации.
В.Л. Комаров (1958) считал, что отдалённая гибридизация обогащает природу видов и даёт новые формы, а так же определил тесную связь отдалённой гибридизации с происхождением культурных растений.
В результате изучения амфидиплоидов, представляющих собой сбалансированные формы, полученные путём отдалённых скрещиваний,
О.И. Сорокина (1938) пришла к выводу о том, что путь совмещения и комбинирования свойств видов и родов при отдалённой гибридизации через амфи-диплоиды и подобные им формы является наиболее эффективным. В первую очередь потому, что они дают высокую скрещиваемость с другими видами, это открывает массу селекционных возможностей.
О гибридогенном происхождении плодовых и ягодных растений приводятся сведения во многих работах отечественных и зарубежных исследователей (Сгап, 1953; Hunter, 1958; Olden, Nybon, 1968; Розанова, 1935; Ковалёв, 1936; Горшков, 1960; Еникеев, 1962; Харитонова, 1962; Фадеева, 1975).
Выдающийся вклад в развитие теоретических и практических вопросов отдалённой гибридизации внесли работы академика Н.В. Цицина (1954, 1960, 1971). Он разработал основы получения новых видов, форм и сортов на примере злаковых растений, внёс большой вклад в расширение представлений о видо- и формообразовании, подборе исходных родительских пар для скрещивания и их скрещиваемости, доминировании признаков, преодолении стерильности. Н.В. Цициным (1971) созданы новые виды растений - пшенично-пырейные, пшенично-элимусные и ржано-пшеничные гибриды, а также многолетняя и зернокормовая пшеницы.
Методы преодоления нескрещиваемости при отдалённой гибридизации
При отдалённой гибридизации скрещиваемость растений, получение гибридных семян и жизнеспособного гибридного потомства во многих случаях затруднены. И.В. Мичурин (1948) для преодоления этих нежелательных явлений разработал ряд методов: предварительное вегетативное сближение, опыление молодых растений при первом цветении, метод посредника, применение смеси пыльцы и др.. Тем не менее, проблема преодоления нескрещиваемости, повышения жизнеспособности и плодовитости растений при отдалённой гибридизации существует и по сей день. В этом плане для повышения результативности отдалённой гибридизации заслуживают внимания биофизические, физиолого-биохимические и биотехнологические методы.
Биофизические методы
В последние десятилетия большое внимание уделяется воздействию физических факторов на развитие, рост и оплодотворение плодовых растений. Большое количество экспериментальных данных также свидетельствует о целесообразности применения физических факторов при отдалённой гибридизации (Остапенко, 1958, 1970, 1974, 1974 а, 1977 а; Остапенко, Харитонова, 1970; Жуков, 1974; Остапенко, Рыжков, 1977; Кравченко и др., 2001; Ан-дрющенко и др., 2001).
По данным В.И.Остапенко и Е.Н.Харитоновой (1974), очень большое влияние оказывает ультрафиолетовое, рентгеновское и у-облучение на жизнеспособность и оплодотворяющую способность пыльцы плодовых растений: по мере увеличения дозы облучения жизнеспособность и оплодотворяющая способность сначала увеличивается, а затем снижается. Изменение этих показателей соответствует изменению величины редокс-потенциала (Остапенко, 1961) и электрического заряда микроспор (Остапенко, Рыжков, 1967, 1977; Рыжков, 1974, 1977).
В.Ф. Портянко и др. (1978) в исследования УФ-радиации на прорастание и рост пыльцевых трубок семечковых и косточковых пород выяснил, что процент проросшей пыльцы в некоторых экспозициях выше в несколько раз. Наиболее чувствительными к ультрафиолетовому свету оказались вишня (в убывающем порядке), яблоня, шиповник, абрикос.
Это также нашло подтверждение в исследованиях О.С. Жукова и Е.Н. Харитоновой (1988). Ими установлено, что ультрафиолетовые обработки оказывают большое влияние на физиологические свойства пыльцы: под влиянием небольших доз радиационных воздействий повышается положительный окислительно-восстановительный потенциал пыльцевых зёрен, а так же увеличивалась активность протекающих в них процессов окисления. Эти изменения сопровождаются значительным повышением оплодотворяющей способности пыльцы, как при межсортовых, так и при отдалённых скрещиваниях. Благодаря этому методу авторам удалось преодолеть нескрещиваемость отдалённых в таксономическом отношении форм: вишни обыкновенной и вишни степной, вишни песчаной и абрикоса, персика и миндаля.
Н.В. Жуковой (1984) установлено, что предгибридизационная обработка мужского гаметофита ультрафиолетовым и рентгеновским излучениями повышает активность окислительных ферментов - пероксидазы и полифено-локсидазы, что в свою очередь увеличивает оплодотворяющую способность пыльцы и повышает выход семян при отдалённой гибридизации. Тем самым, продуктивность скрещивания повышается в 3-7 раз.
Для преодоления барьера нескрещиваемости О.С. Жуков, С.Д. Рыжков, А.Н. Духанина (1977, 1978) воздействовали на мужской гаметофит плодовых и ягодных культур постоянным магнитным полем (Н=400-800 Э). Наилучшие результаты были достигнуты при продолжительности действия 120 минут и напряжённости магнитного поля 400 эрстед. Этими исследователями были получены межвидовые гибриды косточковых растений и малины. Применение этого метода воздействия на пыльцу, с целью повышения её" оплодотворяющей способности, дало положительный результат при межвидовых и межродовых скрещиваниях: вишня песчаная х абрикос, черёмуха японская х вишня обыкновенная, вишня песчаная х вишня обыкновенная, вишня степная х вишня пенсильванская (Рыжков, Жуков, Харитонова, 1975). Используя биофизическое воздействие на генеративную сферу растений, удалось преодолевать нескрещиваемость различных видов и получить уникальные отдалённые гибриды плодовых и ягодных культур (Яковлев, Остапенко, 1966; Остапенко, Рыжков, 1971; Яковлев, 1973; Курсаков, 1986).
Анализируя экспериментальные данные разных исследователей, можно с уверенностью говорить о целесообразности использования при отдалённой гибридизации физических стимулятивных факторов.
Хромосомный состав и особенности мейоза при микроспорогенезе
Наибольшие трудности в реализации возможностей межвидовой и межродовой гибридизации связаны, в первую очередь, с преодолением репродуктивной изоляции разных видов. Создание отдалённых гибридов F1 требует преодоления барьеров несовместимости на этапах прорастания пыльцы, роста пыльцевых трубок, оплодотворения и формирования семян. Причём ограниченный рост пыльцевой трубки оказывается наиболее существенным барьером практически во всех межвидовых и особенно межродовых скрещиваниях. Для преодоления этого барьера нами были использованы различные стимуляторы роста и физиологически активные вещества (гиббереллиновая кислота, диацетофенонилселенид (ДАСФ-25), препарат ЭКОСТ 1ГФ, П) с несколькими вариантами концентраций: 0,1 мг/л, 1 мг/л, 10 мг/л.
Перечисленные выше вещества использовали для стимуляции роста пыльцевых трубок на рыльце и в тканях чужеродных пестиков. Предварительно были определены оптимальные концентрации стимулирующих веществ на искусственной питательной среде (рис. 4.1.1., 4.1.2., 4.1.3.).
Как видно из рисунка 4.1.1. стимуляцию прорастания пыльцыяблони Дискавери и груши Северянка гиббереллиновой кислотой можно наблюдать при взятых нами минимальных концентрациях. Так, при концентрации 0,1мг/л, в среднем проросло 20,4±2,5 % пыльцевых зёрен яблони Дискавери. С повышением концентрации до 1 мг/л и 10 мг/л возросла и прорастаемость пыльцы до 31,3±2,1 % и 36,1±4,2 % соответственно. Это превышает контрольный вариант почти в 3 раза. Изменение прорастания пыльцы груши Северянка в зависимости от концентрации гиббереллиновой кислоты имеет тот же характер, что и у яблони Дискавери.
Препарат ЭКОСТ-1 ГФ,П (в его основе находится оксид Si в биологически активной форме и комплекс микроэлементов), увеличивает прорастание пыльцы яблони Дискавери и груши Северянка при наименьших концентрациях (1 мг/л) до 32,8±2,5 % и 40,6±1,2% от средних контрольных результатов 13,3±0,9 % и 20,6±1,7% соответственно (рис. 4.1.2.).
Выявлена специфичность действия химических соединений на пыльцу. Совершенно по иному реагирует пыльца на питательную среду с препаратом ДАСФ-25 (препарат участвует в процессах тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования, обладает антисептическими свойствами, препятствует образованию перекисных соединений, накоплению в организме ядовитых веществ, способствует повышению фермента глутатионпероксидазы) (рис. 4.1.3.).
Так, концентрация диацетофенонилселенида 0,1 мг/л способствует лучшему прорастанию пыльцы, примерно в 1,5-2 раза, по сравнению с контролем. Увеличение концентрации до 1,0 мг/л приводит к небольшой стимуля ции, а в варианте с пыльцой яблони Дискавери практически не изменяет показатель прорастаемости. Концентрация ДАФС-25 в искусственной питательной среде 10,0 мг/л ингибирует прорастание пыльцевых трубок мужского гаметофита, также заметно снижается и их длина.
Следует отметить, что длина пыльцевых трубок в оптимальных концентрациях со всеми используемыми стимулирующими веществами намного превышала контрольный вариант (рис. 4.1.1.).
Повышение прорастаемости пыльцы под влиянием стимуляторов роста играет важную роль в гибридизации, но не может служить показателем продуктивности скрещивания. Для определения конечного эффекта стимуляции при гибридизации необходимо учитывать количество завязавшихся плодов и выход семян.
Существующий расчёт показателя продуктивности скрещивания (Р) и выхода семян (S) разработанный В.И. Остапенко (1977), более полно отражает эффективность применения различных стимулятивных факторов при отдалённой гибридизации. Эти величины вычислялись по следующим формулам: показатель выхода семян (S)
Использование физиологически активных веществ для преодоления нескрещиваемости при отдалённой гибридизации
В течении 2002-2005 г.г. в период цветения проводили кастрацию различных сортов яблони, груши, рябины. Опыление проводили через один день после кастрации по методике Я.С. Нестерова, И.Г. Тюникова, Ф.Н. Денисовой (1972). На опылённые чужеродной пыльцой пестики распыляли вышеуказанные физиологически активные вещества в различных кон 74 центрациях.В качестве изоляторов использовали мешки, изготовленные из бумаги марки «Крафт». В каждом варианте кастрировали и опыляли не менее 100 цветков. Произведены комбинации скрещивания между яблоней и грушей, грушей и яблоней, яблоней и айвой, рябиной и грушей, рябиной и яблоней.
Из зрелых плодов каждой комбинации скрещивания, каждого варианта и повторности отдельно выбирали семена и подсчитывали их количество.
Из приведённых в таблице 4.1.1 данных видно, что применение используемых химических веществ увеличивает количество полученных плодов и полноценно развитых семян, что в конечном итоге способствует более эффективной селекционной работе, особенно при отдалённых скрещиваниях.
Так, в комбинации груша Скороспелка из Мичуринска х яблоня Диска-вери во всех вариантах опыта, в том числе и в контрольном, был получен положительный результат. Применение стимуляторов роста позволило увеличить продуктивность скрещивания в некоторых вариантах этой комбинации на порядок. Например, обработка опылённых пестиков концентрацией 10,0 мг/л гиббереллиновой кислотой, 1,0мг/л препаратом ЭКОСТ 1ГФ, П и 1,0 мг/л диацетофенонилселенидом способствовала лучшему завязыванию плодов и выходу нормально развитых семян. Показатель продуктивности скрещивания в оптимальном варианте достигал 0,0166.
Несколько меньшее число гибридных семян было получено при реци-прокном скрещивании (яблоня Дискавери х груша Скороспелка из Мичуринска). В контрольном варианте этой комбинации несмотря на то, что завязалось 1,2 % плодов, гибридных семян получить не удалось. Однако, использование физиологически активных веществ решает данную проблему. Показатель продуктивности скрещивания при использовании стимуляторов различной концентрации варьировал от 0,0016 до 0,0074.
В комбинации груша Памяти Яковлева х яблоня А1, как и в других отдалённых груше-яблоневых скрещиваниях (Скороспелка из Мичуринска х Дискавери, Северянка х Богатырь, Северянка х Антоновка), в контрольных вариантах были получены нормально развитые семена, хотя и в небольшом количестве. Следовательно, и показатель продуктивности здесь был очень низок, от 0,0003 в комбинации груша Северянка х яблоня Богатырь до 0,003 в комбинации груша Скороспелка из Мичуринска х яблоня Дискавери.
Обработка пестиков физиологически активными веществами значительно повысила эффективность скрещивания. Наиболее оптимальными оказались концентрации 0,1 мг/л, 1,0 мг/л, 10,0 мг/л ГК, 1,0 мг/л, 10,0 мг/л ЭКОСТ 1ГФ, П и 1,0 мг/л ДАФС-25. Это говорит о целесообразности применения уже известных стимуляторов, таких как гиббереллиновая кислота и совсем новых (ЭКОСТ 1ГФ,П и ДАФС-25) в отдалённых скрещиваниях плодовых культур с учётом подбора оптимальных концентраций.
Следует заметить, что в проводимых нами яблоне-грушёвых скрещиваниях количество полученных плодов и гибридных семян было несколько меньше, чем в реципрокных груше-яблоневых. На этот факт указывает то, что в контрольных вариантах этих комбинаций гибридных семян получено не было. Исключение составляет комбинация яблоня Богатырь х груша Северянка, где сняли 0,5 % плодов от опылённых цветов (за 3 года) и получено 5 гибридных семян.
Из яблоне-грушёвых скрещиваний при использовании стимуляторов роста эта комбинация оказалась наиболее эффективной. Выход гибридных семян увеличился в 4-10 раз. Наиболее успешной являлась обработка пестиков раствором ЭКОСТа. Коэффициент продуктивности скрещивания достигал 0,0145 при 0,0014 в контрольном варианте.
В комбинации яблоня Al х груша Памяти Яковлева некоторые варианты концентраций стимуляторов не принесли результатов. В лучших вариантах опыта было получено небольшое количество плодов с единичными семенами. Показатель продуктивности скрещивания их был невысок и варьировал от 0,0003 до 0,0015.
