Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 5
Глава 2. Методика, материал и условия проведения исследований 22
Глава 3. Особенности перекрестного опыления между селекционными образцами кормовых бобов 29
Глава 4. Возникновение новых генетических вариантов в результате спонтанных мутаций и мейотических рекомбинаций 41
Глава 5. Причины механического засорения селекционных образцов при посеве 58
Глава 6. Механическое засорение и факторы на него влияющие при обмолоте селекционных образцов комбайном Sampo-130 65
Глава 7. Сравнительная оценка механического засорения селекционных образцов молотилками МЗБ-1, МСУ-1 и К-119 86
Глава 8. Пути сохранения морфобиологических особенностей образцов кормовых бобов на завершающих этапах селекционной агротехнологии 94
Глава 9. Новый сорт кормовых бобов Стрелецкие 98
Заключение 104
Рекомендации селекционной и семеноводческой практике 105
Литература 106
Приложения 116
- Особенности перекрестного опыления между селекционными образцами кормовых бобов
- Возникновение новых генетических вариантов в результате спонтанных мутаций и мейотических рекомбинаций
- Причины механического засорения селекционных образцов при посеве
- Механическое засорение и факторы на него влияющие при обмолоте селекционных образцов комбайном Sampo-130
Введение к работе
Успех в создании новых, наиболее полно отвечающих требованиям современного сельскохозяйственного производства сортов, во многом зависит от надежности предотвращения и устранения последствий биологического и механического засорения селекционных образцов.
Подвергшиеся засорению образцы в значительной степени теряют свою ценность как объекты селекционных исследований, поскольку при наблюдениях за ними получаются ошибочные, искаженные сведения о присущих им признаках и свойствах. Нередки случаи, когда из-за высокого содержания сортовой примеси в научно-исследовательских учреждениях бракуются не только отдельные селекционные образцы, но и целые питомники и испытания.
Основой для планирования мероприятий по сохранению генетического своеобразия селекционных образцов должны служить знания о биологии размножения улучшаемой культуры и качестве работы контактирующих с семенами машин различного назначения. Иными словами, нужен комплексный анализ факторов риска засорения селекционных образцов на всех этапах селекционной агротехнологии.
В частности, для кормовых бобов необходимо определить уровень естественного перекрестного опыления в зоне деятельности селекционного центра ВНИИ зернобобовых и крупяных культур (ВНИИЗБК), что позволит более обоснованно подходить к выбору конкретной схемы и методов ведения селекционного процесса. Важно также наладить мониторинг форм сортовой примеси, появляющихся в образцах в результате изменений в наследственном аппарате растений и представляющих интерес для использования в практической селекции.
Нельзя признать оправданным, что информация о механическом засорении образцов применяемыми селекционерами машинами исходит преимущественно от фирм-производителей, а не из независимых источников. Селекционеров надо «вооружить» простыми и надежными способами тестирования ма-
4 шин различного назначения, с тем, чтобы они могли выбирать из множества предлагаемых на рынке действительно лучшие. Следует глубже изучить влияние различных режимов эксплуатации и особенностей очистки средств механизации на изменение у селекционных образцов показателей сортовой чистоты. Данные вопросы освещены в научной литературе еще недостаточно исчерпывающе.
Учитывая вышеизложенное, выбор темы наших исследований, направленных на поиск путей сохранения сортовых особенностей кормовых бобов в процессе репродуцирования, представляется весьма актуальным. Устранение биологического и механического засорения - это мощный резерв повышения эффективности селекции и семеноводства новых сортов.
Особенности перекрестного опыления между селекционными образцами кормовых бобов
Спонтанные скрещивания между изучаемыми в питомниках и испытаниях образцами селектируемой культуры вызывают сдвиги в их генетической структуре. В результате признаки и свойства образцов могут в ряду поколений претерпеть существенные изменения. Чтобы не допустить этого, необходимо при организации и ведении селекционных работ учитывать уровень естественного перекрестного опыления у культуры в условиях данной конкретной местности (Г. В. Гуляев, Ю. П. Гужов,1987).
Правильность методики, использованной в нашем первом опыте по его определению, подтвердило отсутствие гибридов F] в травостое сорта Аушра, выросшего из семян, образовавшихся на растениях, изолированных гречихой от сорта Уладовские фиолетовые. Следовательно, примененный способ регулирования направлений скрещиваний между растениями бобов оказался эффективным, и перекрестное опыление, сведения о величине которого у материнских форм представлены в таблице 2, происходило только в пределах делянок.
Основными агентами, выступившими в роли переносчиков пыльцы с одних бобовых растений на другие, были медоносные пчелы (Apis mellifera L.). Подлетев к выбранным цветкам, они садились на лодочку (рис. 2 а), раздвигали головами и грудками весла, освобождали пыльники и, усиленно работая передними ножками, собирали и закрепляли на поверхности тел пыльцевые зерна (используемые при выкармливании расплода и приготовлении перги). Прежде, чем вернуться в ульи, пчелы в поисках пыльцы посещали в границах делянок цветки разных растений и, теряя небольшое количество своей «ноши» на липких, покрытых волосками рыльцах пестиков, обеспечивали обмен мужскими половыми элементами в изучавшихся популяциях бобов.
Однако не все из работавших на бобах пчел принимали участие в перекрестном опылении. Часть особей, занимавшихся заготовкой нектара, извлека 32 ла его, опуская хоботок внутрь цветка находясь не в обычном положении сверху, а сбоку (рис. 2 б), через отверстие, проделываемое самостоятельно или шмелями (преимущественно Bombus terrestris L.) в чашечке венчика, т.е. некон-тактируя с генеративным аппаратом.
Добывать нектар из цветков, включенных в опыт сортов бобов, сочетая оба изложенных способа, пчелы, распространенной в зоне деятельности ВНИИ ЗБК среднерусской породы, были вынуждены по причине наличия короткого хоботка (5,9-6,3 мм). При выращивании в тех же условиях сортов с цветками меньшей величины у пчел отпала бы необходимость в продырявливании чашечки венчика, и уровень перекрестного опыления возрос. Наоборот, естественные скрещивания у сортов с более крупными цветками происходили бы реже, т.к. среди пчел, собиравших нектар, увеличилась бы доля, проделывавших эту процедуру минуя соприкосновение с пыльцой и рыльцем пестика.
Поиск цветков в травостое пчелам облегчала или затрудняла окраска лепестков. У сортов Аушра, Караколские, Русские черные, Уладовские фиолетовые, Янтарные, Dino, ДФ-1, SU-R-5/13 цветки отличались белым парусом с фиолетовой нервацией, белой лодочкой и белыми крыльями с большими черными пятнами от цветков сортов БЦ-1 и Орлецкие с соответственно однотонной белой и коричневой окраской всех лепестков венчика. Специфика же зрения пчел такова, что они на зеленом фоне лучше замечают объекты, отражающие лучи в желтой, сине-голубой и ультрафиолетовой части спектра (Г. А. Ма-зохин-Поршняков, 1960). Именно цветки белой окраски с высокой степенью отражения ультрафиолета наиболее активно посещались пчелами. Коричневые цветки сорта Орлецкие, судя по результатам опыта, полезную энтомофауну привлекали слабее.
Впрочем, пчелы, обладая исключительно острым обонянием (А. С. Ну-ждин и др., 1984), несомненно, ориентировались, выбирая тот или иной сорт, и на аромат цветков. Следовательно, на сортовые различия бобов по уровню перекрестного опыления помимо прочих факторов повлияли особенности восприятия пчелами окраски и аромата цветков. Пчелы посещали цветки бобов в соответствии с акропетальным порядком распускания на растениях и в кистях на протяжении всей фазы цветения (варьировавшей в 1998 г. по сортам от 19 до 25 дней). Максимум лёта отмечался в начале цветения (18-25 июня) и позже в теплые (22 - 25С), солнечные, безветренные дни.
Известно, что без опыления насекомыми бобы значительно снижают семенную продуктивность (Ч. Дарвин, 1939). И дело здесь не только в повышении завязываемости плодов в год опыления, но и в гетерозисе, проявляющемся у гибридного потомства (А. Ф. Путинцев, Р. И. Севостьянихина, 1972; D. Stel-ling et al., 1994). Неслучайно, организация пчелоопыления посевов рассматривается в качестве непременной составляющей современной технологии возделывания кормовых бобов (A.-L. Varis, R. Brax, 1990; F. L. Stoddard, 1991).
Наблюдения в нашем опыте показали, что пчелы опылили цветков гораздо больше, чем сохранилось плодов к уборке. Так, с растений осыпалось около 45% раскрывшихся цветков и 30% завязей. Нормальные плоды сформировались преимущественно на первых генеративных узлах стеблей из нижних 2-4 (редко 5-6) цветков в кистях. Кроме того, в бобах на разных этапах развития дегенерировала некоторая часть семяпочек. Очевидно, что насыщенность территории насекомыми-опылителями не ограничила продуктивность растений, но повлияла на процент гибридных семян в урожае.
Возникновение новых генетических вариантов в результате спонтанных мутаций и мейотических рекомбинаций
Среди факторов, влияющих на биологическое засорение селекционных образцов в полевых опытах, важная роль принадлежит происходящим в половых клетках спонтанным мутациям и мейотическим рекомбинациям. При этом, растения, относимые по фенотипически выраженным морфологическим, анатомическим, физиологическим, биохимическим и иным признакам и свойствам к сортовой примеси, возникают в результате целенаправленно не индуцируемых изменений на уровне генома, хромосом, генов и (или) ДНК- и РНК-содержащих элементов цитоплазмы. Различить мутанты и рекомбинанты без специальных исследований достаточно трудно. По мнению Е. Андерсона (Е. Anderson, цит. по: А. А. Жученко, 1980) множество предполагаемых мутаций (частота их у высших организмов оценивается величиной 10" -10" ) на самом деле являются следствием рекомбинационных событий.
Впрочем, для селекционера часто не имеет большого значения, каким именно образом возник конкретный генетический вариант (в силу условности четкого деления процессов генерации наследственной изменчивости на мутационную и рекомбинационную). Главное - правильно решить, как с ним поступить. Дилемма здесь состоит в том, что не вся сортовая примесь мутантной и рекомбинантной природы в селекционных образцах должна в обязательном порядке уничтожаться. О нескольких подобных, требовавших сохранения генетических вариантах Vicia faba L., найденных нами при проведении плановых сортовых прополок в селекционных питомниках и испытаниях, кратко рассказано ниже.
В 1998 г. при обследовании в фазе всходов делянки (в КСИ) сорта Янтарные был обнаружен, а затем размножен и зарегистрирован в каталоге ВНИИЗБК под номером 1145 (приложение 6) генетический вариант с упрощенной макроструктурной организацией (МСО) листового аппарата (рис. 3). В пер-вом и втором узлах стебля у него развиваются простые длиной до 1,5 и шириной до 0,7 см, сидячие листья. Далее образуются листья также простые, но на черешках и крупные (до 7-9 х 9-10 см). Ближе к вершине растения в узлах формируются лишь прилистники. Иногда среди листьев генетического варианта К-1145 встречаются простые, в различной степени рассеченные на 2-3 доли или уродливо скрученные и сросшиеся с прилистником, и сложные, без так называемого острия и состоящие из 2-4 листочков.
Напомним, что в норме листья у бобов простые (редуцированные до небольших чешуек, выполняющих преимущественно протекторную функцию по отношению к почечке проростка) в первых двух узлах стебля и сложные (дифференцированные на прилистник, общий черешок, 2-8 листочков и острие) во всех последующих.
Примитивные морфология и МСО листового аппарата, наряду с твердо-каменностью семян (достигающей 12-15%) позволяют предположить, что генетический вариант К-1145 является в определенном смысле филогенетическим атавистом.
Предок бобов, по-видимому, имел простые листья. В процессе эволюции происходило постепенное расчленение листовых пластинок, наблюдаемое, в частности, у генетического варианта К-1145. На каком-то исторически отдаленном этапе накапливавшиеся количественные изменения перешли в качественные - возник сложный лист. Это событие знаменовалось значительным повышением эффективности аккумуляции лучистой энергии солнца за счет скоординированных во времени и пространстве движений отдельных листочков, создало предпосылки для увеличения суммарной площади листьев. Т.е., листочки сложного листа суть прогрессивный продукт длительной эволюции, способствующий лучшей выживаемости вида.
Действительно, по количеству и массе семян с растения исходный сорт со сложными листьями Янтарные в течение четырех лет подряд (1999-2002 гг.) превосходил в 3-4 раза генетический вариант К-1145. Некоторые растения с упрощенной МСО листового аппарата вообще не давали семян. Разумеется, пол 44 ностью «списывать» 100% абортацию бутонов, цветков и завязей на дефицит фотоассимилятов нельзя. Нарушения в репродукционном процессе вызывались, очевидно, и иными причинами (неправильное протекание мейоза, слабая жизнеспособность гамет и др.).
Тем не менее, нам удалось повысить семенную продуктивность и наладить устойчивое размножение генетического варианта К-1145. Зная, что пунктом преимущественной аттракции питательных веществ у бобов являются точки роста и принимая в расчет общую слабую листообеспеченность соцветий, мы стали применять чеканку - удаляли часть стебля над последним верхним листом. Как показали опыты лучший срок для ее проведения - начало цветения растений. Благодаря этой операции ограниченные ресурсы метаболитов использовались не на поддержание вегетативного роста и обильного цветения, а для формирования полноценных плодов из числа оставшихся на растении. Достоверность увеличения сбора семян подтвердил расчет -критерия Стьюдента (Б. А. Доспехов, 1985) (табл. 6).
Причины механического засорения селекционных образцов при посеве
Выпавшие фрагменты, по-видимому, интерстециальные - многоклеточные эукариоты с хромосомами без теломерных концов обычно не жизнеспособны (Р. Ригер, А. Михаэлис, 1967), могли элиминироваться, транслоциро-ваться или обособившись сохраниться (в одной-двух из сотен изученных мито-тических пластинок генетического варианта К-1146 просматривались похожие на 5-хромосомы структуры). В любом случае, для получения более достоверных сведений об их «судьбе» необходимо проведение дополнительных исследований, в т. ч. с применением методов дифференциального окрашивания хромосом.
В завершение отметим, что отбиравшиеся для кариологического анализа митотические пластинки содержали максимально рассредоточенные в поле зрения хромосомы, лежавшие преимущественно в горизонтальной плоскости. Тем не менее, ряд хромосом все же перекрывался и имел довольно значительные изгибы, что приводило к неизбежным ошибкам при реконструкции их абсолютных длин (использовавшихся при составлении и сравнении пар гомологов). Поэтому, сделанные выше заключения о наличии, отсутствии и характере реорганизации хроматина у генетических вариантов К-1145 и К-1146 являются по большей части предварительными и нуждаются в уточнении.
Выводы
1. В результате спонтанного мутагенеза и мейотического рекомбино-генеза могут образовываться генетические варианты, являющиеся не только подлежащей удалению примесью в селекционных образцах и сортах, но и представляющие значительный научный интерес. Последние необходимо сохранять, размножать, изучать и вовлекать в практическую селекцию.
2. Кардинальное упрощение МСО листового аппарата у генетического варианта К-1145- это, по-видимому, реверсия к морфотипу далеких предков бобов. Данный генетический вариант можно использовать как модельный объект для исследований по генетике листа бобов и компонент скрещиваний при pea лизации селекционных программ по созданию сортов с повышенным КПД ФАР.
3. Генетический вариант К-1146 с гиперлабильными геометрией и МСО листового аппарата занимает в эволюционном отношении, очевидно, промежуточное положение между формами древними, архаичными и ныне существующими. Ценное для селекции качество генетического варианта К-1146 -повышенная облиственность в первых пяти узлах стебля.
4. Возникновение генетического варианта К-1193 с усложненной МСО, вероятно, одно из прогрессивных направлений современного формообразовательного процесса вида Vicia faba L. Перспективы селекционного использования генетического варианта К-1193 связаны с созданием хорошо облиственных сортов.
5. Изученные новые генетические варианты бобов К-1145 и К-1146 не являются анеу- и полиплоидами. Число хромосом в соматическох клетках у них, также как и у исходных сортов равно 12.
6. Внешнее морфологическое несходство, сопряженное с отсутствием визуальных различий кариотипов, в принципе позволяет допустить наличие не полного тождества (гомеологии), образовавшегося между наборами хромосом сорта Янтарные и генетического варианта К-1145 за счет инверсий и (или) ре-ципрокных транслокаций.
7. Судя по митотическим картинам, к появлению генетического варианта К-1146 привела интерстециальная делеция, произошедшая в паре Ма-хромосом исходного сорта Орлецкие.
Кормовые бобы в селекционных питомниках и испытаниях ВНИИЗБК высевают как с использованием сеялок, так и вручную. При втором способе, применяемом из-за высокой трудоемкости лишь для посева наиболее ценных малосемянных образцов, возможность механического засорения практически исключена. Для посева другой, гораздо более многочисленной части селекционных образцов используют навесные сеялки специального назначения СКС-6-10 (рис. 8) и ССФК-7 (рис. 9). Как утверждается в составленных В. П. Пьяных (1978) методических указаниях, семена, засыпанные из пакетов в сеялки, полностью высеваются на делянках заданной длины, что исключает возможность смешивания селекционных образцов и делает ненужными какие- либо мероприятия по очистке. Однако, определенный опыт эксплуатации сеялок этих марок заставил нас усомниться в абсолютной справедливости данного утверждения. Ясность в вопрос о реальном качестве работы сеялок СКС-6-10 и ССФК-7 внес эксперимент, в ходе которого в поле высеяли чередуя друг с другом семена кормовых бобов и гороха.
После появления всходов посев внимательно обследовали и установили (табл. 9), что на трехрядковых делянках видовая примесь отсутствовала, на шестирядковых - встретилась лишь единожды, а из 60 образцов, размещенных на десятирядковых делянках, механическому засорению подверглись 34, причем число растений другого вида колебалось на них от 1 до 13 и находились они только на 2, 7 и 9-м рядках.
Хотя полученные оценки уровня механического засорения высеянных образцов являются ориентировочными (поскольку проведенные наблюдения, в силу того, что не все высеянные семена взошли, были не прямыми, а косвенными), тем не менее, факт произошедшего при посеве смешивания селекционных образцов кормовых бобов, несомненно, установлен.
Механическое засорение и факторы на него влияющие при обмолоте селекционных образцов комбайном Sampo-130
Следующий после посева этап селекционной агротехнологии, при выполнении которого может происходить механическое засорение селекционных образцов кормовых бобов - это обмолот.
Для уборки делянок в поле во ВНИИЗБК используют финский самоходный мини-комбайн Sampo-130 (рис. 10). Согласно Инструкции по эксплуатации № 0813504 очистка его осуществляется путем работы на «холостом ходу в течение около 0,5 мин.», двухкратным подъемом и опусканием жатки и двухкратным перемещением деки вверх и вниз.
Однако, очень важная для селекционеров информация о механическом засорении обмолачиваемых образцов при выполнении данного комплекса мероприятий в инструкции отсутствует. Не удалось обнаружить сведений об этом и в других литературных источниках. Отсутствуют также сообщения об исследованиях, посвященных изучению факторов, влияющих на содержание семян сортовой примеси в селекционных образцах, при массовом обмолоте неочищаемыми вручную (из-за значительных временных затрат, сопряженных с выполнением этой процедуры) самоходными машинами.
Ликвидировать имеющиеся пробелы в знаниях позволили проведенные нами эксперименты.
Установлено, что при чередующемся обмолоте снопов сортов Янтарные (л/=31) и Караколские (п2=30) сортовая примесь присутствовала в 57 собранных образцах семян (-95%) и отсутствовала в 3 (=5%). (Первый образец семян по причине наличия противоречия между сущностью эксперимента и условиями его формирования - ранее комбайн бобы не молотил, был забракован.) Число семян другого сорта, в тех образцах, где они содержались, колебалось от 1 до 11 (табл. 10). В среднем на один собранный при обмолоте образец приходилось 2,88 семени сортовой примеси.
Анализ вариационного ряда семян примеси, содержащейся в образцах сорта Янтарные, вызвал сомнение в действительной принадлежности к нему даты № 20: уж очень велико ее значение. Проверка нулевой гипотезы по т-критерию (Б. А. Доспехов, 1985) показала необходимость исключения этой даты из дальнейшей математической обработки опытного материала: гфакт = 0,500 Чо1 =0,369.
Источником появления в серийной выборке «сомнительной» даты, по-видимому, стало присутствовавшее в обмолоченном снопе растение с семенами темно-фиолетовой окраски. Наличие такого растения в посеве сорта Янтарные, из которого сформировали снопы для обмолота, могло быть результатом произошедшего на предыдущих этапах репродуцирования механического засорения.
Приняв в расчет результат браковки, мы сравнили вариационные ряды 2 и 5, 3 и 6 таблицы 10 с помощью /-критерия Уилкоксона и вспомогательной величины со (В. Ю. Урбах, 1975). Фактические и теоретические значения этих статистических показателей приведены в таблице 11.
Поскольку в обоих рассматриваемых случаях софакт превышали со при .Р 0,01, то можно утверждать, что после обмолота более продуктивные образцы сорта Янтарные (х = 199,80) содержали меньшее количество семян сортовой примеси (х=1,97), чем малопродуктивные образцы сорта Караколские (средние арифметические равны соответственно 100,63 и 3,50).
Чтобы объяснить причины того, почему в опыте получен такой результат, введем понятие «мертвая зона». Под «мертвой зоной» будем подразумевать часть внутреннего объема комбайна (или молотилки), относящуюся к зерновому тракту, из которой семена работающими органами и механизмами не извлекаются.
Свойства «мертвой зоны» таковы: 1) она состоит из нескольких автономных подзон, суммарный объем которых не постоянен, а колеблется в небольшом диапазоне значений; 2) в ней могут находиться семена более чем одного сорта обмолачиваемой культуры, а также семена других полевых культур, сорняков, минеральные включения и т.д.;
3) обновление ее содержимого происходит путем обмена эквивалентными объемами с зерновым ворохом образца, проходящего при обмолоте по комбайну (или молотилке).
