Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 6
1.1 Морфологическая, биологическая характеристика и карио-6 тип вида Daucus с. L
1.2. Изменчивость и наследование признаков вида Daucus с. L 8
1.3. Фотопериодическая реакция растений 17
1.3.1. Влияние фотопериода на рост и развитие растений 17
1.3.2. Генетический контроль реакции на фотопериод 25
1.4. Полиморфизм растений по чувствительности к долготе дня 30
1.5. Гетерозис и его использование в селекции моркови 32
Глава 2. Цели, задачи, материалы и методы исследования
2.1. Цель и задачи исследований 35
2.2. Научная новизна и практическая значимость работы 36
2.3. Объекты исследования 37
2.4. Условия и место проведения исследований 38
2.5. Методы исследований 42
Результаты исследований 48
Глава 3. Особенности инбредных линий моркови по продолжительности вегетационного периода
3.1. Различие инбредных линий по продолжительности межфазных периодов
3.2. Изучение проявления и наследования признака продолжительность вегетационного периода
Глава 4. Особенности фотопериодической реакции сортов и инбредных линий семенных растений моркови
4.1. Полиморфизм сортов, инбредных линий по ФПР растений 58
4.2. Изменчивость линий моркови по фотопериодической реакции
4.3. Оценка и обор скороспелых форм на основе фотопериодической реакции
4.4. Наследование периода "посадка- начало стеблевания" у гибридов F] и F2, ВСі в условиях малой долготы дня
Глава 5. Особенности инбредных линий по продуктивности
5.1. Оценка продуктивности гибридов Fi на ранних этапах развития
5.2. Оценка инбредных линий по продуктивности 100
Глава 6. Характеристика инбредных линий - генетических источников селекционно-ценных признаков
Выводы 109
Практические рекомендации 111
Список использованной литературы 112
Приложения 135
- Морфологическая, биологическая характеристика и карио-6 тип вида Daucus с. L
- Фотопериодическая реакция растений
- Научная новизна и практическая значимость работы
- Изучение проявления и наследования признака продолжительность вегетационного периода
Введение к работе
Морковь - Daucus carota L. - одна из ведущих сельскохозяйственных культур разнообразного использования: пищевого, кормового, технического. Экономическая значимость культуры отраженна в больших посевных площадях, которые составляют более 860 тысяч га и увеличились за последние 10 лет на 35,2 %, а общемировое производство свыше 18,4 млн. т. (ФАО, 1999).
Особая ценность моркови в питании человека состоит в ее широком спектре лечебно-профилактического действия на организм человека, которое заключается в богатом биохимическом составе, содержании значительного количества каротина, витаминов В,С,Е, РР, и микроэлементов (Мурри, 1961; Дьяченко, 1979).
Дефицит витамина А рассматривается в последнее время третьим по значению в ряду таких обширных проблем, как тотальный недостаток энергии и белка в пищевом рационе (Кононков и др., 1992). Это связано с биологической способностью этого витамина повышать иммунитет человека к заболеваниям. Повышенное потребление овощей с высоким содержанием каротинойдов, и, прежде всего моркови, оказывает заметное профилактическое действие и снижает риск возникновения раковых заболеваний. (Бунин, 1991).
Создание новых сортов и гибридов моркови как двулетней перекрестноопыляющейся культуры требует больших затрат времени. С целью ускорения селекционного процесса необходим отбор ценных генотипов на разных его этапах - одно из кардинальных звеньев в общей сложной цепи селекционных и генетических исследований. Ускорение селекционного процесса, необходимость которого подчеркивал Н.И. Вавилов, может быть достигнута на основе научных разработок, позволяющих производить обобщенный скрининг генотипических различий, начиная с коллекционных образцов, предполагаемых для гибридизации, вплоть до оценки отобранного материала для практической селекции.
Как известно, продуктивность во многом определяется и генетическими особенностями растений, а также влиянием абиотических и биотических факторов среды, где количество и качество получаемого урожая зависит от продолжи-
тельности вегетационного периода. Поэтому сорта и гибриды должны быть адаптированы к условиям района возделывания, и иметь длину вегетационного периода, равную продолжительности благоприятного сезона (Федоров, Сиди, 1997).
Интерес к изучению влияния долготы дня на отдельные этапы онтогенеза и продуктивность моркови особенно возрос в последние годы в связи с необходимостью создания гибридов, сочетающих высокую продуктивность со скороспелостью. Селекционеры столкнулись с тем фактом, что необходимо изучение наследования к долготе дня, что актуально в аспекте использования универсальных доноров в различных экологических зонах с разной продолжительностью фотопериода. Эти теоретические и практические интересы определяют актуальность работы.
Морфологическая, биологическая характеристика и карио-6 тип вида Daucus с. L
Морковь, род Daucus L., относится к подсемейству Apioidae и колену Dauceaceae Drude. Данный род включает в себя до 60 видов (Шишкин, 1951).
Вид Daucus carota L.-двулетнее или однолетнее растение, культурные формы которого образуют корнеплод, содержащий каротиноиды и обуславливающий их пищевую ценность, так как имеет питательные вещества (каротин -провитамин А и минеральные соли) и может использоваться в пищу круглый год (Лукъянец, Боголепов, Красавина, 1969; Воскресенская, 1978).
Морковь относится к растениям длинного дня. Было установлено, что для растений длинного дня необходимы ранние посевы, так как при поздних посевах не успевает сформироваться развитый листовой аппарат, что в дальнейшем приводит к снижению урожая и качеству корнеплодов (Родников, Курюков, 1978).
Морковь требовательна к свету. При затенении в первый год жизни растения сильно вытягиваются, при этом значительно снижается урожай (Бондарев и др., 1976).
Темпы образования листьев зависят от сортовых особенностей, почвенных и метеорологических условий. Наиболее развитые и с длительным периодом жизни листья вырастают в июле - августе. Они выполняют основную роль в создании урожая (Закатова и др., 1981).
В образовании корнеплода принимают участие три органа растения: над-семядольное колено (эпикотиль), из которого развивается головка корнеплода, подсемядольное колено (гипокотиль), из которого образуется шейка и собственно корень.
На поперечном разрезе моркови легко различить две части: внешнюю толстый слой коры, мякоть (флоэма) и внутреннюю - сердцевина (ксилема). Между ними находится тонкий слой камбия. Лучшими технологическими качествами обладает внешний слой (мякоть), чем внутренний (сердцевина) (Эдель-штейн,1953).
Современные сорта моркови имеют двулетний цикл развития. В первый год образует розетку листьев и утолщенный мясистый корнеплод. Высаженные корнеплоды на второй год формируют цветочный стебель, цветут и образуют семена (Матвеев, Рубцов, 1978).
Морковь перекрестно опыляющееся растение с протерандрическим типом цветения. Опыление в пределах растения у моркови выражено слабо. Продолжительность цветения зависит от температуры и влажности воздуха. Холодная погода и повышенная влажность воздуха удлиняют период цветения, а теплая и солнечная - сокращают.
При солнечной погоде, температуре 18-22 С и нормальной влажности почвы и воздуха на 20-й день после окончания цветения наступает молочная спелость семян, а на 25-30-й день - восковая. От молочно-восковой до полной спелости обычно проходит 10-20 дней в зависимости от метеорологических условий.
Для нормального роста и развития моркови необходимы определенные условия. Морковь считается относительно холодостойкой культурой, причем семенные растения моркови более требовательны к теплу, чем растения первого года жизни. Будучи растениями продолжительного дня, морковь не выносит затенения, высокий урожай семян может быть получен при хорошем освещении растений (Абельсон, 1954; Картаев, Русаков 1989).
В онтогенезе двулетних растений наблюдаются следующие фазы роста и развития: прорастание семян и появление всходов, рост розетки листьев и корней, формирование корнеплодов, стеблеобразование, образование соцветий и цветение, плодообразование и созревание семян (Левандовская,1971; Сечкарёв, 1971).
Соцветие у растений моркови - сложный зонтик. Цветки обоеполые, эн-томофильные. Околоцветник простой, чашечка состоит из 5 чашелистиков, венчик - из 5 лепестков. Цветок содержит 5 тычинок, пестик - 2 плодолистика с нижней двугнёздной завязью, 2 столбика и рыльца (Литвинова, 1968).
Из литературы известны эмбриологические (Кордюм, 1967) и кариологи-ческие (Sharma et. al., 1959) особенности вида рода Daucus carota L.
Завязь у моркови двугнездная, в каждом гнезде развивается одна анатроп-ная семяпочка, женский археспорий одноклеточный, зародышевый мешок мо-носпоричный 8-ядерный; пыльцевые зерна удлиненно - овальной формы, зрелая пыльца 3-х клеточная (содержит 2 спермия и вегетативное ядро); двойное оплодотворение происходит примерно через 4 часа после опыления.
Кариотип вида Daucus carota L. включает 9 пар мелких хромосом, что обусловливает трудности при их идентификации. Род Daucus L. обладает выраженным полиморфизмом по количеству хромосом. Основное их число колеблется от 16 до 22. Культивируемая морковь диплоидна (от 2п до 18 хромосом с размером 1,8-3,8 м), кариотип имеет формулу: от 2п до 18 = 2 Msl + 2 Ml + 4Ss + 10 S, где M - средней длины хромосомы, S - короткие хромосомы, значок s над строкой - вторичная перетяжка хромосомы, 1 ниже строки - небольшие различия по величине хромосом.
В гаплоидном наборе хромосом (п) моркови имеется четыре хромосомы -метацентрические (центромера в центре хромосомы), четыре хромосомы - суб-метацентрические (центромера слегка смещена к одному из концов) и одна хромосома - спутничная (Essad et al., 1985).
Фотопериодическая реакция растений
При осуществлении фотосинтеза источником энергии служит свет. Условия освещения на земном шаре отличается большим многообразием, которое обусловлено широтой и долготой места, высотой над уровнем моря, временем года, суток и т.д. Освещение входит в комплекс условий, определяющих географическое распространение растений. Приспособленность к определенной интенсивности освещения, спектральному составу, а также ритму дня и ночи сложилась вследствие исторических условий эволюции (Баханова, Львова, 1961 Salisbury, 1981).
Исследования приспособления растений к продолжительности, интенсивности, спектральному составу представляют одну из наиболее интересных теоретических проблем современной биологии. Не менее важно изучение действия света на растение для селекции. Известно, какое влияние уделяли лучистой энергии как основному фактору жизни на земле Ч. Дарвин и К.А. Тимирязев. Зависимость наступления сроков цветения растений от продолжительности дня в разных широтах, известна была еще во времена К. Линнея. Интересные работы по изучению действия света на водоросли и другие растительные организмы опубликованы в 1865 г. А.С. Фаминициным.
Длина дня действует на зацветание различных видов растений неодинаково. По реакции цветения на длину дня в настоящее время выделяют следующие фотопериодические группы растений (Аксенова и др., 1973;1976). Шейтральные растения (НДР), не обладающие фотопериодической чувствительностью перехода к цветению и зацветающие почти одновременно при любой длине дня, если она не вызывает чрезмерного ограничения времени фотосинтеза.
2. Длиннодневные растения (ДДР), зацветающие или ускоряющие переход к цветению при длине дня, которая больше определенной для каждого вида критической длины.
3. Короткодневные растения (КДР), зацветающие при сокращении длины дня ниже определенной критической величины.
Одни фотопериодически чувствительные растения обладают реакцией качественного типа, а другие - реакцией количественного типа на длину светового дня. Цветение КДР и ДДР с качественной фотопериодической реакцией находится под строгим контролем короткого (КД) или длинного дня (ДД), соответственно (Lang, 1952). Эти растения характеризуются ярко выраженной критической длиной дня, при которой образуются цветочные почки. У факультативных КДР и ДДР, обладающих количественной фотопериодической реакцией, цветочные почки образуются при любой длине дня, но это происходит раньше у КДР на коротком дне, у ДДР на длинном дне (Бернье и др., 1985).
Разнообразие проявления фотопериодической реакции цветения должно иметь и соответствующую генетическую основу. При генетическом изучении фотопериодической реакции наблюдаются разнообразные взаимодействия генов: доминирование, эпистаз, влияние дозы гена, множественный аллелизм, трансгрессия и т.д. (Скрипчинский, 1975). При анализе второго гибридного поколения наблюдаются разнообразные схемы расщепления по признакам "фотопериодическая чувствительность" и "нейтральность", укладывающаяся в менделевские соотношения: 1:3,1:15 и другие (Скрипчинский, 1975).
В целом рассмотрение приспособительного характера фотопериодической реакции показывает, что фотопериодизм - одна из многих аналогичных по биологическому смыслу регуляторных систем, необходимых для координации морфогенетиче 19 ских процессов с независимым от растения сезонным ритмом важных факторов внешней среды.
Восприятие длины дня основано на смене в листьях двоякого рода реакций -световых и темновых. В суточной и другой циркадной ритмике этих реакций имеет значение соотношение длительности периодов света и темноты, их абсолютная длительность, интенсивность и качество ФАР, приходящей к листьям в световой период (Чайлахян, 1988).
Первичные реакции на длину дня развиваются в листьях. Это показано на многих видах растений из всех фотопериодических групп (Lang, 1965).
В основном у растений процесс восприятия длины дня и процесс регуляции морфогенеза в ответ на фотопериодическое воздействие четко разделены в пространстве и осуществляются в разных органах растения.
Реакции короткодневных растений, в основном, не зависят от общей продолжительности освещения (Evans, 1969).
Для зацветания КДР важна длина темнового периода. Так, Хамнер (Hamner, 1940) исследовал влияние изменения длины темнового периода при постоянной продолжительности светового периода, составлявшего 4 или 16 часов. Результаты этих экспериментов четко показали, что соя не зацветает до тех пор, пока темновои период не достигнет 10 часов - как при 4-часовом, так и при 16-часовом фотопериоде. Итак, для короткодневных растений существует критический темновои период. Этот критический темновои период, по-видимому, относительно постоянен и независим от длины фотопериодов, при довольно широких колебаниях последних (Уоринг, Филлипс, 1984).
Научная новизна и практическая значимость работы
Научная новизна. Впервые выявлено изменение характера корреляций между продолжительностью вегетативного периода и продолжительности фаз развития репродуктивного периода онтогенеза: от высокой отрицательной при малой долготе дня до положительной - при большой долготе дня.
Установлены прогностические зависимости продолжительности вегетационного периода корнеплодов и семенных растений при разной долготе дня, на основании чего предложена модель эколого-генетической организации признака "начало стеблевания" в условиях различного фотопериода.
Показаны различия сортов и линий по фотопериодической реакции семенных растений в условиях малой долготы дня, позволяющие отбирать формы разной скороспелости. Установлены генетические особенности различий по продолжительности вегетации семенных растений линий моркови при малой долготе дня. Выявлена положительная взаимосвязь между признаками растений моркови на ранних стадиях развития (митотический индекс, энергия прорастания, длинна проростка) и гетерозисным эффектом по продуктивности и скороспелости корнеплодных растений гибридов Fj.
Практическая значимость работы. Научно обоснован и предложен способ оценки и отбора форм различной скороспелости, включающий оценку исходного материала по фотопериодической реакции, и разложение популяции по группам спелости. Разработан метод экспресс-оценки гетерозиса по продуктивности и скороспелости корнеплодов моркови. Разработанные методы позволяют повысить эффективность селекционного процесса, направленного на получение сортов и гетерозисных гибридов, обладающих высокой продуктивностью и разной скороспелостью.
Выделены селекционно-ценные линии короткодневные, длиннодневные по вегетации и линии с нейтральной фотопериодической реакцией которые могут быть использованы в качестве исходного материала при создании гетерозисных гибридов.
Положения, выносимые на защиту диссертации:
1. Результаты исследований по изменчивости и наследованию продолжительности вегетационного периода семенных растений моркови.
2. Результаты изучения изменчивости и наследования различий инбредных линий моркови по фотопериодической реакции.
3. Сравнительная оценка продуктивности гетерозисных гибридов Fj по ми-тотическому индексу и фазе прорастания семян.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложе 37 ны на отчетных сессиях ВНИИ селекции и семеноводства ВНИИССОК в 2002-2004 гг., на заседании научно-технического совета и расширенном межлабораторном заседании в марте 2006 года.
Материалы диссертации были представлены на: Международной научно-практической конференции «Производство экологически безопасной продукции растениеводства и животноводства» (Брянск, 2004); V Международной научно-практической конференции «Интродукция нетрадиционных и редких растений» (Донской ГАУ, пос. Персиановский, 7-11 июня 2004); VI Международной симпозиум «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования» (Москва, Пущино, 13-17 июня 2005).
По результатам исследований опубликовано 4 работы, и одно изобретение находится на экспертизе в Роспатенте.
В качестве объекта исследований использована морковь (Daucus carota L.).
Исследования проводились на инбредных (Іб-s) фертильных и беккросиро-ванных (ВСб-в) мужски стерильных линиях, а также гибридах Fi, F2, BCj, полученных на их основе. Линии созданы в лаборатории генетики и цитологии ВНИИССОК из популяций сортов Нантская 4 и Московская зимняя А-515 и других сортов, коллекции ВИРа. Линии получены с использованием системы скрещиваний и различных методов отбора на основе инбридинга фертильных и аутбри-динга стерильных и фертильных растений.
В диссертации также использованы материалы лаборатории за предыдущие годы, включая гибридные семена, полученные ранее, и экспериментальные данные. В качестве контроля была взята суперэлита сортов Нантская 4 и Московская зимняя А-515. Экспериментальная работа выполнена в лаборатории генетики и цитологии Всероссийского научно исследовательского института селекции и семеноводства овощных культур (ВНИИССОК) в 2002-2004 годах. Институт расположен в Одинцовском районе Московской области.
Московская область входит в Нечерноземную зону Российской Федерации и расположена в центральной части Русской равнины. Климат района исследований умеренно континентальный с относительно мягкой зимой, с редкими оттепелями и теплым влажным летом. Среднегодовое количество осадков на территории колеблется от 450 до 600 мм, средняя относительная влажность воздуха составляет 70%. В летние месяцы среднесуточная температура воздуха составляет 16...18С, сумма среднесуточных температур выше 10С равна 1900С. Подмосковье получает в год около 90 ккал/см суммарной солнечной радиации, свыше 40 % которой составляет рассеянная радиация
Почвы опытных участков, ВНИИССОК, дерново-подзолистые, тяжелосуглинистые. Содержание гумуса, по результатам обследования почв отделом проектно-изыскательной станции химизации сельского хозяйства, составляет 2,5-3,2%. Преобладают почвы со слабокислой, близкой к нейтральной, реакцией среды (рН=5,1-6,0) со средним и повышенным содержанием фосфора - 10,1-25,0 мг/100г. Содержание Са в почве в пределах 5,6-11,8 мг экв /ЮОг почвы, обменного магния в пределах 1,4-2,9 мг экв./ 100 г почвы (Агроклиматический справочник по Московской обл., 1967.).
Изучение проявления и наследования признака продолжительность вегетационного периода
Создание скороспелого селекционного материала моркови является актуальной задачей в настоящее время из-за возросших потребностей человека в антиоксидантах. Поэтому необходимо ускорение селекционного процесса для создания продуктивных сортов и гибридов моркови с высоким содержанием БАВ.
В лаборатории генетики и цитологии ВНИИССОК для ускорения селекционного процесса разработан метод получения одного поколения моркови в год в условиях зимней теплицы для создания исходного материала и оценки его по качественным признакам.
Но для создания высокоурожайных сортов и гибридов моркови необходимо учитывать продолжительность вегетационного периода, которая играет важную роль в его формировании, а из литературных источников известно, что продолжительность вегетационного периода корнеплода тесно связана с продолжительностью вегетации семенного растения (Тимин 1989). В связи, с чем была поставлена задача, выявить характер развития семенных растений в зависимости от фотопериода с возможностью ускорения оценки и отбора селекционного материала.
Для этого были исследованы сорта с различной скороспелостью, где развитие семенного растения происходило при естественном освещении в зимний и летний период времени. Была проведена оценка сортов моркови различной скороспелости: сорт Нантская 4 - ранний, Московская зимняя А-515 - среднеспелый и сорт Blanshe - позднеспелый
Оценка реакции трех сортов на фотопериод по межфазному периоду "посадка - начало стеблевания" показала различия по фотопериодической реакции Рис 3.
Согласно полученным данным, семенные растения сорта Нантская 4 при малой долготе дня (МД дня) характеризовались слабым развитием семенного куста, и характеризовался как позднеспелый в сравнении с сортом Blanshe, который в данных условиях являлся раннеспелым. Сорт Московская зимняя А- 515 проявил себя по отношению к выше перечисленным сортам как среднеранний.
Влияние фотопериода на межфазный период "посадка - начало стеблевания" на МД дня наблюдалось в различиях по межфазному периоду семенных растений между сортами. С увеличением долготы дня происходят изменения в сторону увеличения или уменьшения продолжительности межфазного периода "посадка - начало стеблевания" в зависимости от скороспелости сорта.
При этом оценка материала, проведенная в пяти режимах культивирования, позволяет выявлять особенности реакции растений моркови на фотопериод.
Для проверки закономерности и получения статистически достоверных результатов был увеличен объем выборки до 11 образцов.
Данные изменчивости продолжительности межфазных периодов в зависимости от фотопериода представлены в таблице 4. Начальные фазы развития у всех изучаемых сортообразцов ускорялись в условиях большой долготы дня (БД дня) в полевых условиях. А при малой долготе дня (МД дня) выражалась в задержке периода "посадка - стеблевание" и "посадка - начало цветения центрального зонтика" и по сравнению с образцами, выращенными при БД дня, изменялась: у сорта Нантская 4 на 38 и 58 суток; у сорта Московская зимняя А-515 на 22 и 34 сутки; у форм: ЛГ 1194-701-639-2 - на 13 и 27 суток, ЛГ 1124 - 333 - 254 - на 33 и 36 суток, ЛГ 333-317-94 - на 36 сутки стеблевание и 43 сутки цветение соответственно.
