Содержание к диссертации
Введение
1. Использование мутационной и рекомбинационной наследственной изменчивости растений в генетических и селекционных исследованиях (обзор литературы) 14
2. Почвенно-климатическая характеристика места проведения опытов, материал и методика исследований 47
2.1. Почвенно-климатические особенности Западной Сибири и метеорологические условия места проведения опытов . 47
2.2. Материал исследований. 57
2.3 Методика проведения опытов. 62
3. Генетический эффект воздействия различных мутагенных факторов на яровую мягкую пшеницу. 65
3.1. Изменения морфологических признаков. 65
3.1.1. Мутации колоса 69
3.1.2. Системные мутации. 71
3.1.3; Изменения размеров листьев и их ориентации в пространстве: 71
3.2 Воздействие мутагенов на полевую всхожесть и выживаемость рас тений пшеницы . 73
3.3. Мутации по длине вегетационного периода: 76
3.4. Мутации по устойчивости к полеганию 81
3.5. Анализ продуктивности и элементов ее структуры у мутантных и исходных форм. 84
3.6. Изменения по показателям качествазерна. 95
3.7. Вариабельность количественных признаков и их взаимосвязей при мутагенезе. 107
3.7.1. Выраженность и изменчивость признаков. 107
3.7.2. Характеристика корреляционных плеяд. 116
3.8. Эколого-генетические аспекты изменчивости количественных при знаков при мутагенезе. 121
4. Генетическая природа мутантов 129
4.1. Мутации морфологических признаков 130
4.2. Генетическая обусловленность мутаций по длине вегетационного периода. 134
4.3. Мутации основных признаков продуктивности . 135
4.4. Особенности проявления моногибридного гетерозиса по признакам скороспелость и вертикальное расположение листьев 151
5. Использование индуцированных мутантов в гибридизации как способ повышения результативности мутационной селекции 161
5.1. Влияние новой генотипической среды на степень развития мутантных признаков 162
5.2. Наследование основных признаков продуктивности гибридами, полученными с участием мутантных и исходных форм 177
5.3. Наследуемость признаков продуктивности при межсортовых и му-тантно-сортовых скрещиваниях 190
5.4. Комбинационная способность мутантных и исходных форм яровой пшеницы 194
6. Основные результаты использования индуцированного мутагенеза и гибридизации в селекции яровой мягкой пшеницы . 203
6.1. Характеристика новых сортов яровой пшеницы 203
6.2. Новый исходный материал для селекции на иммунитет. 212
6.3. Создание генофонда для селекции яровой пшеницы на качество зерна 217
6.4. Новый исходный материал для селекции на засухоустойчивость 221
Общие выводы 224
Практические рекомендации. 228
Библиографический список 230
Приложения 273
- Почвенно-климатические особенности Западной Сибири и метеорологические условия места проведения опытов
- Воздействие мутагенов на полевую всхожесть и выживаемость рас тений пшеницы
- Мутации основных признаков продуктивности
- Влияние новой генотипической среды на степень развития мутантных признаков
Введение к работе
Западная Сибирь является одной из крупнейших зернопроизводящих зон страны.. Площадь посева основной продовольственной культуры - пшеницы в этом регионе составляет 7,5 млн. га, или четвертую часть от всех посевов Российской Федерации.
Основные посевы пшеницы сосредоточены в степной и южной лесостепной зонах этого региона, с характерной для них контрастностью климатических и І метеорологических факторов: Валовые сборы зерна и урожайность: пшеницы значительно колеблются по годам, что с необходимостью ставит задачу обеспечения стабильности получения урожая при повышении продуктивности полей и снижении затрат при возделывании этой культуры.
Анализ роста урожайности в XX веке показывает, что наряду с минеральными удобрениями, пестицидами и? средствами механизации основную роль в этом. процессе сыграло; генетическое улучшение растений. Так, вклад селекции в повышение урожайности важнейших сельскохозяйственных культур за последние 30 лет оценивают в 40-80%. Именно благодаря селекции на протяжении последних 50 лет, например в США,. была обеспечена ежегодная прибавка урожая в размере 1-2% по основным полевым культурам. РІмеются все основания считать, что в обозримом будущем роль биологической составляющей; ив первую очередь селекционного улучшения сортов и гибридов; в повышении величины и качества урожая будет непрерывно возрастать (Жученко А.А., 2003).
Не случайно в Госкомиссию по испытанию и: охране селекционных достижений за период с 1996 по 2000 гг. было направлено 1100 сортов и гибридов І различных сельскохозяйственных культур, в Государственный реестр селекционных достижений внесено 2024; в, том числе в 2000 г. - 452 сортообразца, (Маслова М:А1, 2001).
С учетом потребностей и спроса производства на сегодняшний день приоритетными направлениями исследований становятся селекция на скороспелость, адаптивность к местным природно-климатическим; факторам, устойчивость к биотическим и абиотическим стрессам, качество продукции и т.д.
В основе селекционного улучшения той или иной культуры лежит исходное генетическое разнообразие и методы генетической реконструкции улучшаемых полезных признаков.
Именно в. результате повсеместного возделывания • генетическш однотипных сортов: и гибридов, созданных традиционными методами селекции; в XX столетии сельское хозяйство мира сотрясали эпифитотии гельминтоспориоза, ржавчины, фомопсиса и др., а такая культура, как желтый люпин, была практически полностью уничтожена антракнозом; Другим неизбежным, следствием уменьшения биологического разнообразия агроэкосистем является значительно меньшая их экологическая: защищенность от биотических и абиотических стрессоров, ограниченные возможности использовать благоприятные факторы среды, (плодородие почвы, особенности климата, погода и др.), необходимость увеличения затрат на каждую дополнительную единицу урожая, что в свою очередь лишь увеличит масштабы разрушения и загрязнения природной среды,. а следовательно, и нарушения экологического равновесия биосферы.
Н.Ш Вавилов был первым, кто в полной мере оценил значение исходного материала для создания новых сортов. Его идея о мобилизации мировых растительных ресурсов в наше время получила новое звучание: На пороге нового тысячелетия все чаще появляются тревожные сообщения5 о том, что биологическое разнообразие флоры и фауны нашей планеты под давлением антропогенных факторов стремительно сокращается. По данным Международного Совета по охране природы в сохранении нуждается не; менее 20 тысяч видов І растений из 250 тысяч видов, населяющих нашу планету (Francel, Bennet, 1975, цит. по: А.В. Железнов, 2000). Кроме того, в условиях интенсивного ведения сельского хозяйства с широким использованием в производстве монокультуры (генетически выровненных сортов) постепенно t сокращаются масштабы генетической изменчивости сортов, что влечет за собой опасение вспышек эпифитотии, снижение продуктивности (Бороевич С, 1984).
По мнению А.А. Жученко "...мы еще весьма далеки от полного использования той генетической изменчивости, которая обеспечивается за счет тради ционных методов селекции, однако необходимость расширения и качественного изменения; спектра доступной отбору генотипическош изменчивости культурных растений стала очевидной и неотложной";
Вместе: с мобилизацией; естественных, ресурсов? растений; в настоящее время формируется новое направление - экспериментальная; подготовка естественного исходного материала; В этой«связи;в основе современных подходов. к управлению генотипическош изменчивостью в селекции і растений лежат принципиально новые взгляды на роль мутациш и рекомбинаций, на- генетическую» природу структурной организации и:функционирование количественных признаков; на растение, как: интегрированную»систему генетических детерминантов ядра1 и цитоплазмы; роль абиотических и биотических условий; внешней среды, выступающих не только в качестве факторов; отбора, но и индукторов мутационной; и рекомбинационной изменчивости организмов (Жученко А. А., 2003).
Исследования последних лет убедительно показывают,.что использование наиболее современных методов открывает большие возможности для.прогресса в селекции, коренного улучшения культурных растений. Так, количество сортов, созданных: методом экспериментального мутагенеза, приблизилосьs к 31 тысячи, в том числе по пшенице - 164. Наиболее: интенсивно в І этом направлении работают в Китае - создано 264 сорта; в «Индии их насчитывается» 186, Нидерландах - 171, в бывшем СССР - 96, в Японии - 87, в США\- 75 сортов: различных сельскохозяйственных культур (Micke A., DoniniB;,. Maluszynski М;, 1990). Особая ценность метода заключается в возможности получения принципиально новых форм растений; неизвестных ранее в растениеводстве..
Важным моментом в мутационной с ел екции; является изучение: генетической \ природы мутаций; идет ли речь о мутациях морфологических признаков; илш о признаках количественных, определяющих продуктивность т качество урожая. Важно знать, с чем связано появление мутации - с точковыми; мутациями или! перестройками хромосомі (незначительные дупликации, нехватки). От решения.этого вопроса зависит характер возникшего изменения: рецессив ная эта мутация или доминантная. Известно, что мутации количественных признаков составляют в основном рецессивную группу (Рапопорт И.А., 1982), однако селекционная ценность доминантов считается несравненно более высокой (Рапопорт И. А., Шигаева И.Х., Ахматуллина И:Б., 1980).
Плейотропия мутантных генов является серьезным препятствием для использования мутантов в селекциш Поэтому весьма важное значение приобретает выяснение причин, обуславливающих: плейотропный эффект: мутированием одного гена или мутациями разных генов. В; случае мутирования разных генов появляется большая вероятность избавиться от нежелательных свойств мутанта: (Сидорова К.К., 1981).
Поиск и последующее использование четко проявляющихся . мутантных генов, вызывающих гетерозис, увеличивает вероятность прогнозирования этого явления при скрещиваниях. В свою очередь, включение в гибридизацию мутантов, обеспечивающих проявление гетерозиса, с большей вероятностью способствует появлению трансгрессивных форм и отбору ценных генотипов в процессе селекции. Следует отметить, что исследований,, направленных на определение ценности мутантов для получения гетерозисных гибридов, крайне мало (Сидорова К.К., 1981; Проскурнин Н.В., 1989).
С целью повышения результативности мутационной селекции все шире развивается новое направление - мутантно-сортовая и межмутантная • гибридизация. Результатом этих исследований явилось создание новых сортов. По данным А. Micke и др. (1990) из 852 мутантных сортов среди видов, размножаемых семенами; 567 получены путем прямого воздействия мутагенами и 285 сортов -при использовании мутантов в скрещиваниях.
Использование гибридизации на базе мутантов: значительно усиливает степень расширения состава исходного материала в селекции; за счет постоянного притока новых мутаций. Намного быстрее, чем при обычной межсортовой гибридизации, можно получать гомозиготные і по доминантным мутациям формы (Рапопорт И.А., Шигаева И;Х., Ахматуллина И.Б.,. 1980). Совместное использование мутационной и комбинационной изменчивости не только ведет к усилению формообразовательного процесса, но и позволяет избежать отрицательных последствий прямого использования мутагенов: расчленить сцепленные гены, а также разрушить нежелательные корреляционные связи между признаками.
Включение мутантов в скрещивания І ведет к существенному изменению поведения мутантного гена в новой генотипической среде, что влечет за собой, в свою очередь, значительное: варьирование: всех признаков плейотропного комплекса и; в конечном» итоге, вызывает новый всплеск генотипической изменчивости, так необходимый селекционеру. v
Для повышения І эффективности селекционного процесса; необходимо целенаправленное использование мутантов в дальнейших скрещиваниях. В ; этой. связи важно учитывать их способность передавать свои положительные свойства . потомству, а поэтому продолжают оставаться І актуальными исследования по определению комбинационной способности мутантных форм.
Таким образом, продолжающее развиваться направление- мутационная, селекция, выявление новых источников мутагенной активности свидетельствуют о высокой эффективности метода экспериментального мутагенеза и об актуальности исследований; направленных на расширение диапазона генетической изменчивости, создание для селекции-нового исходного материала с уникальными признаками и свойствами.
Проведенные нами исследования были выполнены в соответствии с заданием ГКНТ №392 от 25.07.1983 г. "Создать генофонд мутантов яровой пшеницы; путем интенсификации мутационного процесса с помощью высокоэффективных мутагенов и последующего отбора положительных мутаций в специфических условиях региона и на основе их вывести среднеспелые сорта с комплексом хозяйственно-ценных признаков для степи; и лесостепи Западной Сибири"; с заданиями Сибирского отделения Россельхозакадемии:
"Создать и внедрить сорт мягкой яровой пшеницы с урожайностью 45-5 0 ц/га, вегетационным периодом 90-95 дней. Передать в Государственное сортоиспытание" - ОЦО 32.01.02K 16Р8 №ГР 01.82.0091766;
"Установить закономерности проявления мутаций у пшеницы и разработать методические основы мутационной селекции" - ОЦО 32.01.01.02.03; №ГР 01.82.0091750;
"01.Н12: Определить генетическую природу индуцированных различными физическими и химическими факторами мутантных признаков озимой и яровой пшеницы и разработать теоретические основы их использования в целенаправленной селекции";
"02.01.02. Изучить генетико-селекционные основы сочетания мутационной и комбинационнойизменчивости зерновых культур с целью создания сортов для условий Сибири с высокой урожайностью, зимостойкостью, отличающихся устойчивостью к полеганию и болезням, формирующих высокое качество зерна".
Цель и задачи исследований. В работе была поставлена цель: создать сорта яровой мягкой пшеницы для условий Западной Сибири на основе исходного материала, полученного при использовании индуцированного мутагенеза и гибридизации. В этой связи решались следующие задачи:
1. Выявить закономерности мутационной изменчивости, для чего установить эффект воздействия мутагенных факторов на морфологические и хозяйственно-ценные признаки яровой пшеницы; на изменчивость и корреляционные связи между основными признаками продуктивности; выявить вклад различных факторов (генотип, мутаген, экологическая точка) в их вариабельность.
2. Определить генетическую природу мутаций морфологических и хозяйственно-ценных признаков, выявить плейотропный эффект мутантных генов и его обусловленность, изучить особенности проявления моногибридного гетерозиса.
З Выявить возможности использования индуцированных мутантов в гибридизации, для чего изучить степень развития, характер наследования, наследуемость количественных признаков, особенности корреляционных зависимостей между ними, частоту иі степень.проявления гетерозиса у межсортовых и мутантно-сортовых гибридов, комбинационную способность мутантных и исходных форм.
4. На (основе индуцированных мутантов, мутантно-сортовых и межсортовых гибридов создать новые сорта яровой мягкой пшеницы для условий Западно-Сибирского региона.
Научная новизна; результатов исследований. На основе результатов длительных исследований (1982-2002 гг.)» теоретически и экспериментально-показана эффективность сочетания мутационной ш рекомбинационной; изменчивости . для І создания І нового исходного материала в.-, селекции яровой: мягкой пшеницы дляусловий Западной Сибири.
Изучена обширная коллекция мутантов: с комплексом ценных признаков, полученных на большом, наборе сортов и селекционных линий с использованием физических,.химических мутагенов, биомутагена ВШМЯ; (вирус штрихова-той мозаики).
Выявлены и уточнены закономерности мутационной«изменчивости морфологических и, хозяйственно-ценных признаков,.установлен вклад различных факторов (генотип, мутаген, экологическая точка) в изменчивость признаков.
Изучена генетическая\ природа мутантов по морфологическим и хозяйственно-ценным признакам; особенности проявления моногибридного гетерозиса по признакам скороспелость, вертикальное расположение листьев;
Установлено усиление вариабельности количественных признаков, переопределение их корреляционных взаимосвязей; проявление: гетерозиса в; результате сочетания мутационной и рекомбинационной изменчивости. Изучен \ характер наследования, наследуемость количественных, признаков у межсортовых и мутантно-сортовых гибридов;
Показана высокая эффективность как прямого использования индуцированных мутантов, так и включение их в гибридизацию для создания новых сортов яровой мягкой пшеницы. Автором получено четыре авторских свидетельства и три патента на сорта Росинка, Росинка 2, Росинка 3 и Славянка Сибири;
Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся результаты многолетних полевых и лабораторных исследований за 1982-2002 гг.,а именно:
- развитие нового для условий Западной Сибири направления в селекции яровой мягкой пшеницы - мутационной селекции, основанного на создании исходного материала путем сочетания мутационной и рекомбинационной изменчивости;
- выявление закономерностей мутационной изменчивости;
- изучение генетической природы мутаций морфологических и хозяйственно-ценных признаков;
- обоснование эффективности включения мутантов в гибридизацию;
- создание новых сортов яровой мягкой пшеницы.
Практическая ценность и реализация результатов исследований. Созданная коллекция І мутантов, мутантно-сортовых и межсортовых гибридов яровой мягкой пшеницы с ценными в хозяйственном отношении признаками широко испытывается во всех звеньях селекционного процесса, используется в-различных программах скрещиваний лаборатории селекции озимых культур СибНИИСХ. Ряд образцов было передано для использования в АНИИЗиС и Кемеровский НИИСХ.
Созданы и включены в Государственный реестр селекционных достижений России сорта мутантного происхождения Росинка, Росинка 2, Славянка Сибири, сорт Светланка (межсортовой гибрид); включен в Госреестр Казахстана по Акмолинской области сорт Росинка 3 (мутантно-сортовой гибрид) и там же признан перспективным сорт Светланка.
Раннеспелый сорт Росинка получил распространение в северных районах Омской области, являясь там стандартом, Красноярском крае и Якутии. Сорт Росинка 2 характеризуется стабильно формирующимся по годам высоким качеством зерна,. Славянка Сибири сочетает высокую урожайность с повышенной: белковостью и питательностью зерна. Отличительной особенностью сорта Светланка является его повышенная засухоустойчивость, а также способность формировать высокую урожайность при посеве по непаровым предшественникам. Росинка 3" сочетает в себе урожайность, зерно высокого качества и устой чивость к полеганию.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на научно-технических советах селекционного центра, Ученом Совете Сибирского научно-исследовательского института сельского хозяйства. (1983 г., 1984 г., 1985 г., 1995 г., Омск); на Всесоюзном совещании по применению химического мутагенеза на качество (февраль 1985 г., Москва); на конференции молодых ученых, посвященной 40-летию Победы над Германией (апрель 1985 г., Омск); на Всесоюзном совещании "Химические мутагены и парааминобензойная кислота в. повышении урожайности (январь 1986 г., Москва); на научно-теоретической конференции молодых научных сотрудников и аспирантов по созданию и возделыванию сортов пшеницы, ячменя и тритикале (март 1986 г., Мироновка Киевской области); на конференции молодых ученых, посвященной 100-летию со дня рождения Н.И. Вавилова (апрель 1987 г., Омск); на научной конференции профессорско-преподавательского состава и аспирантов Омского аграрного университета (1995 г., Омск).
Научные статьи. По материалам диссертационной работы опубликовано 40 работ. Основные положения диссертации изложены в центральных изданиях: журналах "Селекция и семеноводство", "Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук", "Сельскохозяйственная биология", в региональном журнале "Сибирский вестник сельскохозяйственной науки", Официальных бюллетенях Госкомисии по охране селекционных достижений, в трудах Сибирского отделения РАСХН, ОмГАУ, материалах Всесоюзных совещаний по мутагенезу (г. Москва).
Экспериментальные исследования по теме диссертации; проведены в ГНУ СибНИИСХ с 1982 по 2002 гг. в лаборатории экспериментального мутагенеза; переименованной в 1997 г. в лабораторию - селекции озимых культур. В комплексных исследованиях в качестве соисполнителей участвовали лаборатории физиологии и биохимии растений, качества зерна, иммунитета растений, отдела семеноводства. В исследования были включены мутанты, созданные Р.И. Рутцем, Л.А.-Кротовой, а- также использованы- данные, полученные
В.А. Борадулиной по изучению генетического контроля времени колошения. Автор выражает признательность за оказанное содействие сотрудникам и лаборантам лично: Кротовой Л.А., Борадулиной В.А., Мазепа Н.Г., Веревкину Е.В., Нейман И.Д., Ковтуненко А.Н., Козловой Г.Я., Колмакову Ю.В., Падериной Е.В., Чмут Л.Я., Мешковой Л.В., Калашнику Н.А, Лисенкину Г.И. Автор весьма признателен за консультации и творческое содействие члену-корреспонденту РАСХН Р.И. Рутцу.
Почвенно-климатические особенности Западной Сибири и метеорологические условия места проведения опытов
Революционный прорыв в контролировании сорных растений совершили ученые GLLLA, внедряя в сельскохозяйственное производство страны культуры, выносливые к гербицидам. Новые формы и сорта созданы на основе использования мутагенеза и последующих отборов. Из- всего количества сортов І сои, культивируемых в. США, 50% являются выносливыми к глифосату. В ряде хлопкосеющих,штатов.более 50% сортов хлопчатника устойчивы к бромокси-нилу и глифосату. Увеличивается выбор устойчивых к гербицидам сортов кукурузы. Продолжаются работы над получением, сортов риса, выносливых к глюфозинату, имазетапиру и глифосату (Baldwin F.L., 1999):
На Украине созданы мутанты табака, устойчивые к гербициду изопропил - N - фенилкарбомату (Емец А.И:, Милейко А А., Блюм Я.Б., 2000).
Первые работы по индуцированному мутагенезу у пшеницы в Сибири были начаты М.С. Бодровым. С 1958 г. исследования! в этом направлении развернулись в Институте цитологии и генетики под руководством ПК. Шкварни-кова.. Целью этих работ было изучение. закономерностей мутационной изменчивости растений под влиянием ионизирующих излучений и химических мутагенов, исследование: генетической природьь экспериментально- измененных форм и разработка методов использования мутантов в селекции (Привалов Г.Ф. и др;, 1973).
В результате исследований - был изучен спектр и частота мутаций, вызываемых, физическими и химическими мутагенами (Шкварников П.К., Кулик М;И:, Черный И.В.,. 1967), а также выявлено влияние сортовых особенностей» исходного- материала на мутагенную эффективность радиации (Черный И.В;,. 1966). Было установлено, что в\результате воздействия мутагенных факторов наблюдается значительная наследственная изменчивость ряда показателей качества зерна: белка, сырой клейковины (Шкварников ПК. и др., 1967; Солоненко Л.А., Черный И.В;, 1974; Черный И.В., Черная М.А., Боме Н.А., 1980), изменения количественного соотношения многих аминокислот (ЧерныйИ.В., Трофимова O.G., 1968; Трофимова О.С., Черный И.В1, Солоненко Л:А., 1969). Была изучена генетическая! природа мутантов с улучшенными селекционными» свойствами; по ряду морфологических признаков (Калаш-никША;,. 1971; Черныш И.В:, Лбова М.И , Черная М1А., 1982), проведен;моно-сомный генетический і анализ по»признакам г окраска зерна и і безостость»колоса (ЛбоваМ.И:4, Черный» И:В! ,. 1979): Выявлено влияние генов; контролирующих: чувствительность к; фотопериоду и: образ жизни, на ряд морфологических признаков (Лбова М.И:, Черный і И;В .,,1981). Практическим результатом І использования этого метода; в. селекции явилось создание и широкое распространение сорта Новосибирская 67. Получены, и выделены другие хозяйственно-ценные формы, которые проходят дальнейшее испытание (Черный И;В., 1972; Черный И;В;, Черная М:А., БомеНІА;, Л 980); С 1979 г. работы поі экспериментальному получению и; использованию? мутаций» в селекции- пшеницы, были начаты в Сибирском? научно-исследовательском институте сельского хозяйства (г. Омск). Для создания t нового поколения; сортов, отвечающих требованиям современного производства, необходимо дальнейшее; повышение эффективности традиционных и поиск новых методов; Новым, направлением в экспериментальном мутагенезе стало открытие мутагенного действия на растения электромагнитного излучения? различной: природы (синий и красный свет). Это направление: получило название фотому-тагенеза Дудин ГЛ., 1996; Дудин ЇЇ.Ш шдр., 1997; Логинов Д:А.,. 1999); В!результате этих исследований»получен ценный ь исходный материал для селекции, ячменя. Появились, сообщения? об эффективности! использования космического мутагенеза (ZhuChanglan; а.и., 1999; Shi Weijun, а.ш, 1999); Исследования, проведенные в і Китае на хлопчатнике, позволили выявить«слабое положительное воздействие на признаки раннеспелость и процент линта; и отчетливое - на основные . агрономические признаки; и качество волокна, причем эффект воздействия сохранялся в.течение двух поколений. Продолжаются работы по открытию новых химических мутагенов (Руда-ковская ЕЛ7, и др., 1993; СальниковаТ.В1и др., 1994); В США (Калифорния) выявлена мутагенная активность семян ядовитых; сорняков на штаммах Jalmonella typhimurium. Наиболее высокий уровень содержания мутагенов: отмечен в семенах кассиш и: ипомеи (FridmanM;, Henica P.R., 1991). Румынские исследователи установили мутагенную и биоактивную эффективность полифенольных экстрактов из тканей ели и дуба на тестах, прорастание семян ржи,, число клеток в митозе и частота хромосомных, аберраций (Tudose I- Gyh, a.u., 1992). Б.Е. Садовничий mE.Bi Кокорева (1994) установили цитогенетическое действие водного экстракта мака на семена лука-батуна, которое выражалось в появлении различных типов хромосомных аберраций (мосты, фрагменты и/г.д.).. Определилось в самостоятельное направление использование экспериментального мутагенеза в культуре in vitro; В результате использования г химических и физических мутагенов итальянскими учеными у сорта твердой пшеницы. Rusello был выделен мужскосте-рильный мутант. Скрещивание его с низкорослыми сортами позволило с помощью культуры пыльников получить низкорослые мужскостерильные аналоги, используемые в дальнейшем в селекции гибридной пшеницы (Giorgi В., 1991). Положительное: воздействие экспериментального мутагенеза, на эффективность каллусогенеза, и регенерации растений в культуре in vitro показано на примере арабидопсиса (Gaj Matgorzata D., Czaja Crzegorz, 1997), ячменя (Maniu Marilena,. Mihailescu Alexandrina, 1998), озимого масличного рапса (Jedvze-jaszek К., a.u., 1997), сои (Atak Cimen, a.u., 1999).
В Китае из культуры самоклональных мутантов отобраны растения - ре-генеранты, риса, устойчивые к Pycuculavia ozyzae (Chen Qifeng, a.u., 1989), там же индуцированы1 в культуре in vitro транслокации, обеспечивающие устойчивость к мучнистой росе у гибрида пшеница х Dasypyvum villosum (Li Hong-He, a.u., 2000).
К числу новых методов следует отнести также открытие: мутагенного действия экзогенных ДНК, обладающих широким спектром биологического действия:(NotaniN.K., 1989; Бужоряну ВЇВІ, 1989). Это направление получило название биологического мутагенеза:. С одной: стороны, ДНК выступает в: рол и мутагенного фактора и модификатора J повреждений, вызываемых; радиацией и к химическими мутагенами, G другой стороны, установлено;.что экзогенная! ДНК может действовать как фактор направленной передачи: признаков от донора к реципиенту по генетической трансформации: Возможность передачи отдельных генов целым- организмам посредством; ДНК имеет не только? научное, но и практическое значение, способствуя ускоренному созданию форм с комплексом полезных признаков:
Метод индукции? рекомбинаций вирусом штриховатош мозаики І ячменя? (ВШМЯ) был предложен А.М: Бурдуном;. И:Ві Панариным и Е.С. Забавинош (1983).
О результатах его» использования на яровой пшенице сообщают А;И: Зезюкин (1986), И:В: Лерный и др. (1994).
Воздействие мутагенов на полевую всхожесть и выживаемость рас тений пшеницы
Возникновение различных типов мутаций, по мнению Г. Штуббе (1966), говорит о том, что все имеющееся в природе разнообразие, а также многообразие форм культурных растений возникло в результате: различных мутаций. или рекомбинаций; Все возникающие при экспериментальном мутагенезе мутации М.С. Сваминатан и П.К. Шкварников классифицировали- на две группы: макромутации (видимые мутации) и микромутации (или малые мутации). Под макромутациями П.К. Шкварников (1965) понимает изменение качественных, или морфологических признаков, под микромутациями І - количественных признаков. Среди видимых (макромутаций) М.С. Сваминатан выделяет системные мутации, . появление которых переводит мутант в иную, чем исходный; сорт, систематическую группу, иными словами, речь идет о появлении: других разновидностей.
Многочисленные исследования указывают на тот факт, что воздействие мутагенных факторов приводит к значительному изменению морфологических признаков растений (Чан Зую Кви, 1992; Асадов Ш., 1994 и др.)..
Проведенные нами исследования с использованием химических и физических факторов выявили изменения по высоте растений (высокорослые и низкорослые формы), расположению листьев в пространстве и их размеру, величине и форме колоса, интенсивности воскового налета: Было отмечено, кроме того, появление растений новой разновидности (табл. 3:1);.
Более детальный і анализ отклонений признаков был проведен в; опытах с использованием вируса штриховатой мозаики ячменя.
Из 13 выделенных типов отклонений были: высокорослые и низкорослые, с вертикальным «расположением листьев, потерей воскового налета, с призматическим и булавовидным! колосом; остистые и полуостистые, с измененной окраской и размером зерновок. Для большинства изученных исходных сортов было характерно появление форм с измененной окраской и размером зерновок (77,4%), более низкорослых (41,9%), таблицаЗ.2.
Наибольшим числом типов отклонений (4-6) характеризовались, сорта: Сибаковская 3, Омская 23 и ОмСХИ 6; селекционные линии: Лютесценс 1889, Лютесценс 1917, Лютесценс 2В; Лютесценс 508 Лютесценс 3086, Лютесценс 16148; мутанты: Мутант 841, Мутант 4, Мутант 662, Мутант 3, Мутант 849, Мутант 673 и Мутант 697. По частоте встречаемости семей с отклонениями признаков выделились: Лютесценс 3086 (70,0%), Сибаковская 3 (41,7%), Лютесценс; 1889 (46,3%),- Мутант.841. (39,7%),- Лютесценс 2В: (38,2%), Мутант 673 (34,0%), Омская 23 (31,6%). Следует отметить, что выделенные формы отличались и наибольшим числом типов отклонений.
При пересеве выделенных линий (М2) было установлено, что измененные наследственные признаки в основном сохраняются, в то же время рекомбинанты сортов Тюменская ранняя и Лютесценс 16148 продолжают расщепляться на скороспелые и-позднеспелые, высокорослые и низкорослые формы, что связано, вероятно, с их генетической; нестабильностью. В Мз был отмечен новый, всплеск генотипической: изменчивости: наблюдали ранее выявленные типы отклонений, ai также появление форм с опушенным колосом. Отмеченное явление, по всей вероятности, является доказательством того, чтоВШМЯ обладает продленным мутагенным действием, индуцируя мутации в более поздних поколениях.
Интересные результаты были получены при воздействии ВШМЯ на сорт яровой пшеницы Омская 23, который характеризуется высокой засухоустойчивостью ш продуктивностью, хорошим г качеством зерна и устойчивостью к пыльной головне. Недостатком сорта является белая окраска зерна, которая, как известно, определяет вероятность прорастания зерна на корню при неблагоприятных условиях. В Мі было выделено ряд краснозерных линий. В Мг и Мз этот признак сохранился. Подобные результаты были получены; А.М. Бурдуном (1983), который с помощью ВШМЯ индуцировал появление краснозерных форм у твердой пшеницы и пришел к выводу, что высокая частота появления краснозерных форм, нерасщепляющихся в очередном поколении «у линий с рецессивной белой окраской зерна, возможна только В!результате1 транспозиции. Сделанный j вывод основывается на том, что - различия t между доминантными, и рецессивными; аллелями красной семенной кожуры у пшеницы напоминают присутствие или отсутствие.рецептора транспозона в локусе и, вероятно, именно эту роль выполняет ВШМЯ., Наблюдаемые. явления тем болееv важны, что мутагены, в том числе супермутагены; вызывают появление доминантных мутаций крайне редко (частота их появления ниже 10"6). А при скрещивании краснозерных и белозерных пшениц в Рг выщепляются белозерные генотипы, которые в последующих поколениях не расщепляются;
Мутации основных признаков продуктивности
Наиболее важным показателем в селекции растений была и остается! их продуктивность. Степень,проявления потенциала продуктивности:определяется генетической ! информацией; заложенной в растительной клетке, и условиями» среды, в которых растения произрастают.
Успехи селекции последних лет показывают, что при выведении растений с высоким потенциалом продуктивности важное значение имеют как точковые, так и комплексные хромосомные и! геномные мутации,. которые вызывают существенные изменения, в общей, генетической структуре растений. Ценность мутаций І заключается: в том, что они; захватывают большое число признаков, улучшение; которых другим способом трудно осуществимо. Это ОТНОСИТСЯ С в первую очередь к тем случаям в генетическом коде, когда благоприятные и неблагоприятные : по продуктивности : гены тесно связаны друг с другом, а новые их комбинации при гибридизации возникают очень редко.
Исследования, проведенные нами-по-сравнительному изучению мутантных и исходных форм, позволили-выявитьхтепень-влияния-мутагенных факторов на потенциал продуктивности яровой пшеницы (табл. 3.10). Были выделены мутанты, равные по- продуктивности исходным сортам или, несколько уступающие - им. Наибольшую практическую ценность имели формы, которые в среднем за четыре года значительно превзошли свои исходные сорта по уровню урожайности..
Мутанты, созданные на основе исходного сорта Лютесценс 34, имели; достоверные преимущества как в 1982, так и в 1983 гг. Прибавка урожайности составила 2,0-5,1 ц/га в 1982 г. и 2,2-8,3 ц/га в 1983 г. В условиях жесточайшей засухи 1984 г. все. мутанты значительно «уступили исходному сорту и только мутант М 502 сформировал близкую с;ним урожайность - 21,6 ц/га, превышение составило 1,1 ц/га. В" 1985 г. выделился мутант М 513, прибавка урожайности составила 3,7 ц/га. В среднем за 4 года преимущества имел мутант М 502, его - урожайность была равна 22,8 ц/га, превышение над. исходным сортом составило 2,4 ц/га.
Все мутанты, созданные на основе исходной формы Лютесценс 4053, в условиях 1982 г. имели существенные преимущества: над ней - 3,6-8,7 ц/га. В 1983 г. мутанты сформировали урожайность 21,8-28,4 ц/га, превысив исходную форму на 0,2-6,8 ц/га. В 1984 г. урожайность мутантов приближалась к таковой у исходного сорта, вместе с тем было выделено 3 формы, прибавка урожайности которых в этих условиях была существенной и достоверной: 4,2 ц/га у мутанта М 522; 4,8 ц/га - М525; 7,0 ц/га - М 518. В 1985 г. выделенные мутанты подтвердили свое: преимущество, кроме того, заслуживали внимания мутанты М 520 и М 521, урожайность которых составила соответственно 22,6; 29,2ц/га. В среднем за 4 года выделились, следующие мутантные формы: М 518, М 520; М 521, М 522, М 524 и М 525.
Группа: мутантов, созданных на основе селекционной: формы Лютесценс 4058, подтвердила свои преимущества во все годы исследований и в среднем за 4 года прибавка урожайности составила 3,1; 4,6; 4,5 ц/га соответственно. Лишь в 1984 г. по причине низкой засухоустойчивости мутант М 527 сформировал почти равную с исходной формой урожайность, в то время, как мутант М 2722 превысил ее на 7,0, а мутант М-530 - на.5,9 ц/га.
Среди мутантов исходной формы Лютесценс 4102 наибольшего внимания-заслуживали М535 и М538. В среднем за годы изучения.они превысили Лютесценс 4102 соответственно на 4,7; 4, Г ц/га. Следует отметить их высокую засухоустойчивость. Еслиисходная форма в условиях 1984 г. сформировала урожайность 6,7 ц/га, то урожайность, мутантов. варьировала от 10,9 до 16,1 ц/га, превышение составило 4,2-9,4 ц/га.
Из; мутантов сорта: Омская 9 выделился М 551, в среднем за. 4і года он превысил исходную форму на 2,4 ц/га. Среди: мутантов;, созданных на основе селекционной линии1 Мильту-рум 1333, наибольшие прибавки урожайности во все:годы,исследований отмечались для форм М562иМ 566. Отличительной особенностью этих мутантов, было вертикальное расположение листьев в пространстве: В среднем, за годы. исследований они превысили исходную форму на 6,7; 3,8 ц/га соответственно.
Из группы.мутантов сорта-Сибаковская 3 выделись М 581 и М 583, которые ежегодно существенно превосходили по урожайности исходную форму. Это превышение составило в среднем за годы исследований 5,2; 8,3 ц/га.
Среди мутантов, индуцированных из сортов Сибирячка 8 и Целиннаяй21, не удалось выделить более продуктивных форм.
Известно, что продуктивность растений является интегральным показателем, зависящим от множества факторов, изменяющихся в довольно«широком диапазоне. Она слагается из таких элементов; как продуктивная кустистость, количество,- колосков; в; колосе, его озерненность и продуктивность,. масса 1000 зерен.
Влияние новой генотипической среды на степень развития мутантных признаков
Анализ аминокислотного состава белка изучаемых образцов показал, что по сумме незаменимых аминокислот мутант превзошел как стандарт, так и ячмень Целинный 5 - соответственно на 7,1 и 4,3 г/кг зерна, или на 24,8 и 13,7%. Наибольшие преимущества мутанта были отмечены по фенилаланину, треонину, валину. По лизину мутант превзошел сорт Омская 9 на 0,48 г/кг зерна, или на 14,6%, в то же время в сравнении с ячменем содержание лизина было несколько ниже - на 0,09 г/кг зерна, или на 2%.
Известно, что доступность белка может быть значительно снижена рядом факторов, ограничивающих фактическую его усвояемость. К их числу следует отнести содержание клетчатки, золы и других минеральных веществ (Мазуриц-кии А;М., 1983).
Оценка кормовых достоинств мутанта позволила установить, что он имеет меньшее по сравнению с ячменем содержание в зерне клетчатки.- в 2,5 раза; золы - на 35,7%, более высокое содержание протеина - на 4,7%, превосходит по содержанию фосфора и несколько уступает по содержанию жира (табл. 3.20). Зерно мутанта отличается лучшей переваримостью. По отношению к сорту Омская 9 отличается повышенным содержанием протеина и незначительно уступает ему по переваримости.
Государственное сортоиспытание, однако в силу отсутствия аналогов так и не был включен в Государственный реестр селекционных достижений. Изучение аминокислотного состава зерна было проведено нами и на других объектах:: рекомбинантег Р 5350, полученном5 на, основе сорта Омская 23 воздействием ВШМЯ и мутантах сорта Лютесценс 65, созданных с использованием химических мутагенов. Исследованиями установлено, что содержание аминокислот в зерне значительно варьирует по годам, варьирование по отдельным аминокислотам колеблется от 5 до 37% (Прийлин О.Я. и др.,. 1988). В то же время очевидна реакция отдельных генотипов на изменение метеорологических условий. Результаты наших опытов подтвердили значительную. вариабельность содержания изученных аминокислот по годам; а также выявили различную реакцию исходных форм и мутантов на меняющиеся условия среды (приложение 2). По содержанию белка в зерне рекомбинант R 5350 уступал своему исходному сорту - 17,20% против 18;39% (табл. 3.21). В-то же время сумма-незаменимых аминокислот составила у него 16,98% в отличие от 14,75% у исходного сорта. Среди мутантов сорта1 Лютесценс 65 по содержанию белка выделились М 758 И М 777- соответственно 19Д5 и.20,38%, в то время, как у исходного сорта этот показатель составил 18,52%. По содержанию незаменимых аминокислот они несколько уступали или находились на уровне с сортом І Лютесценс 65. Обратная корреляция между этими показателями в литературе описанаї (Прийлин О Л;, 1988).
Большая часть изучавшихся мутантов имела более низкое по сравнению с исходным сортом содержание белка в зерне: В то же время среди них мутанты; М 726; и М 729 значительно превзошли свою исходную форму по сумме незаменимых аминокислот. Наибольшие превышения.были отмечены по содержанию изолейцина и лейцина у формы М 726 и шо глицину и лейцину у мутанта М 729. По содержанию лизина1 мутанты превзошли; свой? исходный. сорт соответственно на 0,51; 0,19%.
На примере мутантов сорта Лютесценс 65 выявлен кроме того факт одновременного снижения как белка, так и суммы незаменимых аминокислот, что было характерно для мутанта М 735.
Потребительская ценность пшеницы зависит, главным образом, от ее технологических свойств. Ценные по качеству сорта пшеницы должны иметь стекловидное зерно с хорошими мукомольными и хлебопекарными свойствами, с повышенным содержанием белка и оптимальным соотношением аминокислот.
Проведенные исследования позволили нам выделить мутантные формы по ряду технологических свойств зерна; Зерно исходной формы Лютесценс 65 и ее мутантов было проанализировано в лаборатории качества зерна СибНИИСХ в 1989-1994 гг. (табл. 3.22).
