Введение к работе
Актуальность темы. Более 66% посевных площадей всех зерновых бобовых культур в России занимает горох (Pisum sativum L.). Однако в существующих сортах недостаточно реализовано главное преимущество культуры – высокая эффективность симбиотической азотфиксации (Тихонович, 2000; Задорин и др., 2003). В этой связи расширение селекционно - генетических исследований, направленных на разработку методов создания и получение нового исходного материала, сочетающего высокую продуктивность с повышенной способностью фиксации атмосферного азота является актуальной задачей.
Длительное время работы по повышению эффективности растительно-микробных симбиозов были монополией микробиологических институтов – с целью создания высокоэффективных микробных препаратов. В результате, роль растения-хозяина (наиболее генетически стабильного партнера данной растительно-микробной системы) в формировании этих симбиозов недооценивали, а селекцию бобовых на повышение уровня биологической фиксации азота проводили фрагментарно. Недостаточная результативность селекции гороха на повышение эффективности симбиотической азотфиксации заставила разработать программу «Симбиоз» (Naumkina et. al., 2000), при выполнении которой были получены линии гороха, обладающие повышенной симбиотической эффективностью.
У гороха часть генов, контролирующих симбиоз с клубеньковыми бактериями, участвует в контроле развития и функционирования арбускулярной эндомикоризы (Борисов, 1999), а взаимодействие растений с микоризными грибами и клубеньковыми бактериями рассматривается как тройная симбиотическая система (Борисов и др., 2007). Поэтому исследования, направленные на создание высокопродуктивных ассоциаций гороха посевного с обоими эндосимбионтами являются многообещающими с точки зрения повышения биологической азотфиксации (и симбиотического потенциала вообще) данной культуры, позволяющими понизить степень затратности и повысить экологическую ориентированность сельского хозяйства.
Создание высокоэффективных растительно-микробных систем в агроценозах путем селекции новых сортов бобовых с высоким симбиотическим потенциалом является новаторским направлением, позволяющим контролировать эффективность накопления биомассы растения и качества сельскохозяйственной продукции.
Взаимовыгодные растительно-микробные взаимодействия открывают возможность расширения адаптивных свойств растений, придания им новых метаболических функций, и на основе этого – получения высококачественной и экологически чистой сельскохозяйственной продукции (Тихонович, Проворов, 1998; Штарк О.Ю., Данилова Т.Н., Наумкина Т.С., 2006).
Цель исследований. Целью исследований является теоретическое обоснование и разработка практических подходов создания принципиально новых генотипов гороха, использующих потенциал двух- и трехстороннего симбиоза для формирования высокого урожая и повышения качества продукции.
В задачи исследований входило:
- изучить генетический полиморфизм гороха по эффективности использования симбиотической микрофлоры в отношении повышения продуктивности растений;
- провести генетический анализ признаков продуктивности и симбиотической эффективности у широкого спектра сортообразцов гороха;
- разработать методы селекции гороха на повышение симбиотической эффективности;
- провести целенаправленный отбор ценных генотипов и на их основе создать принципиально новые сорта гороха, способные, используя взаимодействия с клубеньковыми бактериями и грибами арбускулярной микоризы, формировать высокий урожай и повышенное качество продукции;
- разработать элементы технологии возделывания новых сортов гороха с высоким симбиотическим потенциалом;
- дать оценку экономической и биоэнергетической эффективности возделывания новых сортов гороха
Работа проведена в соответствии с планом научно – исследовательских работ Государственного научного учреждения Всероссийский научно-исследовательский институт зернобобовых и крупяных культур по Государственным научно – техническим программам: 04.12.1976…1980 О.Ц. 032 (1980…1985 г.г.); ОНТП 0.51.03 «Зерно» (1986…1990 г.г.); ГНТП (1991…1995 г.г.); международному проекту «ИНТЕРБИОАЗОТ-2000»; программам НИОКР РАСХН (1996…2005 г.г.); инвестиционным проектам ФЦНТП 01.03 (1999 – 2004 г.г.); грантом Европейских программ кооперации научных исследований со странами бывшего Советского Союза INTAS 01-2170; грантами Российского Фонда Фундаментальных Исследований: №03-04-96466, № 06-04-96337; NATO – Russia JSTC. RCLG. 979133 и является итогом личных многолетних исследований автора, а также выполненных совместно с научными сотрудниками лаборатории генетики и микробиологии ГНУ ВНИИЗБК и лаборатории генетики растительно - микробных взаимодействий ГНУ ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии (г. Санкт-Петербург).
Научная новизна. Впервые осуществлен скрининг генофонда гороха по эффективности взаимодействия с Rhizobium leguminosarum bv. viciae и микоризными грибами Glomus sp. Данные наблюдения имеют большое теоретическое значение, так как расширяют научные представления о взаимоотношениях растения-хозяина с полезной почвенной микрофлорой и способствуют дальнейшему развитию биологии и генетики развития растений.
Впервые разработаны методики оценки и способы отбора высокопродуктивных растений, обладающих повышенной симбиотической эффективностью, комплементарных определенному штамму клубеньковых бактерий, что позволяет ускоренно (в 2 раза) получать исходный материал для симбиотической селекции гороха.
Впервые на основании многолетних комплексных исследований теоретически обосновано и методически разработано новое направление селекции гороха на повышение симбиотической эффективности на основе симбиоза с клубеньковыми бактериями и микоризными грибами как целостной системы.
Впервые установлен характер изменчивости показателей симбиотической азотфиксации у гороха и закономерности их наследования при взаимодействии с ризобиями и микоризными грибами, что представляет определенный теоретический интерес для частной генетики и селекции гороха.
Впервые получены, не имеющие мировых аналогов, оригинальные линии гороха с рецессивным геном sym2, вступающие в высокоэффективный симбиоз со штаммами клубеньковых бактерий, несущими ген nodX, которые могут быть использованы в дальнейших фундаментальных и прикладных исследованиях.
Практическая значимость. С помощью разработанных оригинальных модификаций методов селекции генотипов гороха, комплементарных определенному штамму клубеньковых бактерий, а также способствующих повышению эффективности двух- и трехстороннего симбиоза, созданы линии гороха, которые были переданы в лабораторию генетики растительно-микробных взаимодействий ГНУ ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии и включены в научные исследования.
Разработаны и предложены селекционерам методические рекомендации по селекции гороха на повышение симбиотической азотфиксации (2005).
Создана серия изогенных линий гороха, способных формировать высокую семенную продуктивность, используя потенциал двухстороннего (Норд sym2sym2, Битюг sym2sym2, Демон sym2sym2) и трехстороннего (л.99/1) симбиоза, что придает растениям принципиально новую трофическую функцию – использование атмосферного азота в качестве основного источника азотного питания. Данные линии представляют ценность для использования в практической селекции в качестве доноров гена sym2 и как перспективный исходный материал для селекции на урожайность, симбиотическую эффективность, устойчивость к полеганию, осыпанию семян, детерминантный тип роста стебля и другие признаки.
При использовании теоретических разработок автора и его участии в селекционных программах созданы и переданы на Государственное сортоиспытание новые высокоурожайные сорта гороха Юниор и Триумф.
Модельные системы, состоящие из охарактеризованных генотипов, созданные в результате представляемой работы, используются в международной кооперации научных исследований в области селекции гороха, а также взаимодействия растений и микроорганизмов.
Разработанные в процессе исследований методические подходы могут использоваться в учебных программах по биологии, генетике, селекции и микробиологии в высших и средних учебных заведениях.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Экспериментальное обоснование генетического полиморфизма гороха по эффективности использования симбиотической микрофлоры при формировании высокой продуктивности растений.
2. Особенности изменчивости и наследования признаков продуктивности и симбиотической эффективности у гороха при одновременной инокуляции ризобиями и микоризными грибами.
3. Методы комплементарной селекции гороха на повышение симбиотической эффективности, основанные на интрогрессии рецессивного гена sym2 в генотипы коммерческих сортов, серии отборов на безазотном фоне гибридных растений и дальнейшем использовании для их инокуляции штаммов ризобий с геном nodX или nodZ, способных использовать атмосферный азот в качестве основного источника азотного питания.
4. Способ ускоренного создания новых сортов гороха, способных используя взаимовыгодные взаимодействия с клубеньковыми бактериями и грибами Glomus sp. формировать высокий урожай и повышенное качество продукции.
5. Элементы технологии возделывания новых сортов гороха с высоким симбиотическим потенциалом.
6. Параметры экономической и биоэнергетической эффективности возделывания новых сортов гороха.
Апробация работы. Результаты настоящих исследований были неоднократно представлены и докладывались на областных, всесоюзных, всероссийских и международных совещаниях: на V и VI съездах Всесоюзного общества генетиков и селекционеров им. Н.И. Вавилова (Москва, 1987; Минск, 1992); на I и II съездах Всероссийского общества генетиков и селекционеров (Саратов, 1994; Санкт-Петербург, 1999); на научно – теоретической конференции молодых ученых и аспирантов «Особенности продукционного процесса у зерновых бобовых и крупяных культур» (Орел, 1989); на научно – практической конференции «Научное обеспечение производства зернобобовых и крупяных культур» (Орел, 1992); на конференции «Аграрная наука - производству», посвященной 90-летию Самарского НИИСХ (Безенчук, 1993); на Международной научной конференции «Биологический и экономический потенциал зернобобовых, крупяных культур и пути его реализации» (Орел, 1997); на Международной конференции «Научные основы стабилизации производства продукции растениеводства» (Харьков, 1999); на Х Международном конгрессе по азотфиксации (Санкт – Петербург, 1995); на IХ Баховском коллоквиуме по азотфиксации (Москва, 1995); на I и II Европейских конференциях по азотфиксации (Сегед, 1995; Познань, 1996); на Международном “Mendel Centenary Congress” (Брно, 2000); на IУ Европейской конференции по зернобобовым культурам (Краков, 2001); на школе молодых селекционеров им. А.С. Кунакбаева (Уфа, 2002, 2003, 2004, 2005, 2006); Х Международном конгрессе по растительно – микробным взаимодействиям (Санкт-Петербург, 2003).
Новые методы оценки и способы отбора генотипов апробированы при создании сортов гороха Юниор и Триумф; комплементарных пар: «Норд sym2sym2 – штамм Rhizobium leguminosarum bv. viciae A-1», «Битюг sym2sym2 – штамм Rhizobium leguminosarum bv. viciae A-1», «Демон sym2sym2 – штамм Rhizobium leguminosarum bv. viciae A-1»; подана заявка на изобретение.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 66 научных работ, в том числе 8 – в рецензируемых и 17 – в зарубежных изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 280 страницах текста и состоит из введения, семи глав, выводов, предложений производству; содержит 68 таблиц, 46 рисунков. Список литературы включает 341 источник, в том числе 114 на иностранных языках.
Автор выражает искреннюю благодарность директору ГНУ ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии РАСХН академику РАСХН, доктору биологических наук, профессору И.А.Тихоновичу; директору ГНУ ВНИИ зернобобовых и крупяных культур, доктору сельскохозяйственных наук, профессору Зотикову В.И.; главному научному сотруднику ГНУ ВНИИЗБК, члену-корреспонденту РАСХН, доктору сельскохозяйственных наук, профессору Задорину А.Д.; доктору биологических наук, профессору Чекалину Н.М.; кандидатам сельскохозяйственных наук В.П. Орлову и И.Ф. Орловой; заведующему лабораторией генетики растительно – микробных взаимодействий ГНУ ВНИИСХМ РАСХН, доктору биологических наук А.Ю. Борисову; ведущему научному сотруднику лаборатории генетики и цитологии ГНУ ВНИИ зернобобовых и крупяных культур РАСХН, доктору биологических наук, профессору С.Н. Агарковой за предоставленные консультации по обсуждаемым в данной работе вопросам, а соисполнителям научных исследований и коллективам лабораторий генетики и микробиологии ГНУ ВНИИЗБК РАСХН и генетики растительно – микробных взаимодействий ГНУ ВНИИСХМ РАСХН – за содействие в выполнении полевых, вегетационных и лабораторных опытов.
