Содержание к диссертации
Введение
Обзор литературы 8
1.1. Явление гетерозиса и его проявление у культуры томата 8
1.2. Комбинационная способность сортов и линий томата 15
1.3. Использование стерильных форм в гетерозисной селекции томата.. 18
1.4. Селекция на продуктивность и экологическую стабильность, среда как фон для отбора 24
1.5. Использование мутантных форм томата в селекции на гетерозис... 28
Условия, материал и методы исследований 31
2.1. Условия проведения исследований 31
2.2. Материал и методы исследований 36
Экспериментальная часть 42
3.1. Изучение биологии цветения и размножения стерильных форм томата 42
3.2. Оценка комбинационной способности стерильных и фертильных линий томата в открытом грунте 49
3.3. Проявление гетерозисного эффекта в различных условиях среды у гибридов Fi томата 55
3.4. Оценка параметров среды как фона для отбора в селекции томата на стабилизацию урожайности 65
3.5. Характер проявления свойств адаптивной способности в гибридном поколении Fi томата 68
3.5.1. Определение параметров адаптивной способности линий томата, используемых в гибридизации в качестве родительских форм 68
3.5.2. Проявление адаптивных свойств в гибридах Fi томата 74
3.6. Хозяйственно-биологическая характеристика перспективных гетерозисных гибридов Fі томата для открытого грунта 79
3.7. Изучение возможности использования в гетерозисной селекции томата маркерных мутантов с пониженным содержанием фотосинтетических пигментов 87
Выводы 97
Список литературы 99
Приложение 122
- Явление гетерозиса и его проявление у культуры томата
- Селекция на продуктивность и экологическую стабильность, среда как фон для отбора
- Оценка комбинационной способности стерильных и фертильных линий томата в открытом грунте
- Определение параметров адаптивной способности линий томата, используемых в гибридизации в качестве родительских форм
Явление гетерозиса и его проявление у культуры томата
Наряду с классической селекцией, завершающейся выведением нового сорта сформировалось и получило широкое распространение новое направление в селекции - выведение гетерозисних гибридов Fb основой высокой урожайности которых является их гибридная природа. Еще Ч.Дарвин придавал важное значение гибридной силе. Он так объяснял причины полезности перекрестного опыления растений: "...преимущества от перекрестного опыления...является следствием того, что подобные особи подвергались на протяжении предыдущих поколений различным условиям...их половые элементы должны были в известной степени претерпевать дифференциацию" (Дарвин, 1939).
Гетерозис - крупнейшее достижение селекции растений, биологическое явление, использование которого при создании гетерозисних гибридов Fi позволило поднять урожайность сельскохозяйственных культур на новый уровень - повысить ее на 20-50%, по сравнению с исходными сортами (Йорданов, 1987; Буренин, 1991; Пивоваров и др., 1998; Пивоваров, 1999).
Гетерозис - обычное в биологии явление, наблюдаемое в первом поколении после скрещивания различных видов, разновидностей, сортов и линий растений или видов и пород животных. Следствием гетерозиса является увеличение отдельных органов растений. Как отмечает большинство исследователей, это увеличение может касаться длины стебля, более обильного плодоношения, устойчивости к вредителям и болезням, ускорения фазы цветения, плодоношения и других признаков (Алпатьев, 1966; Avramescu et al., 1972; Алпатьев, Хренова, 1976; Пухтинская, 1978; Voican, Kruy, 1979; Calvert, Seask, 1980; Велиев, Третьяков, 1982; Животок, Кравченко, 1979; Iordanov, 1983; Ahmed, Petrescu, 1983; Badoux, 1984; Vakir et al., 1984; Крючков, Потапов, 1986; Авдеев, 1997; Игнатова, 1997; Маштаков и др., 1998).
Хотя термин "гетерозис" известен в науке более полувека, до сих пор нет общепринятого определения этого явления. Чаще всего в термин "гетерозис" вкладывается определение, данное Шеллом в 1914 году, в котором говорится, что эффект гетерозиса измеряется по разнице между первым поколением и лучшими родителями (Шелл, 1955). Это определение подразумевает превосходство гибрида над лучшей родительской формой, что не допускает понятия отрицательный гетерозис. Однако, впоследствии гетерозисом стали называть и превышение гибрида над средними показателями по родительским формам (Hussan, Malaker, Gill, 1974; Ghaderi, Lower, 1979). Gustafsson (1946) предложил различать три основных типа гетерозиса: соматический, репродуктивный, адаптивный. Соматический гетерозис выражается в более мощном развитии вегетативных органов, репродуктивный - репродуктивных органов, повышенной фертильности, формировании более высокого урожая плодов и семян, адаптивный - в повышении приспособленности организмов к изменяющимся условиям среды.
Для объяснения генетических механизмов гетерозиса предложен ряд гипотез, которые обсуждаются уже на протяжении нескольких десятилетий. Наиболее популярны гипотезы сочетания благоприятных доминантных факторов, сверхдоминирования и генетического баланса (Rowers, 1952; Dodds, 1955; Gilleng et al., 1966; Дубинин, Глембоцкий, 1967; Турбин, Хаджинов, 1969; Турбин, 1974; Струнников, 1974; Кирпичников, 1974; Турбин и др., 1982).
Оригинальная гипотеза гетерозиса высказана В.А.Струнниковым (1983). Увеличение жизнеспособности линии тутового шелкопряда в ходе отбора на повышение комбинационной способности привело автора к выводу, что оно обязано не изменению полулетального гена, являющегося геном-маркером светлой окраски яиц, а изменению генотипа линии в целом. Анализ данных привел к гипотезе гетерозиса, который основывается на том, что рецессивная полулеталь ставит организм на грань между жизнью и гибелью. Длительный отбор на жизнеспособность приводит к значительным перестройкам линии, в результате чего образуется новая форма, обладающая мощным компенсационным комплексом из генов, которые контролируют эту жизнеспособность и погашают вредное действие полулетали. Если такие особи скрестить с другими, не несущими полулетали, то у гибрида полулеталь таким образом перейдет в гетерозиготное состояние и перестанет неблагоприятно действовать на организм, но оставшийся комплекс избыточных доминантных генов жизнеспособности, неуравновешенный полулеталью, приведет к повышению стойкости и более мощному развитию признаков.
В работах Отдела экологии ВНИИССОК изучается возможность обеспечения более высокого уровня гетерозиса за счет использования экологического фактора. В сообщениях Пивоварова, Добруцкой, Мусаева (1995, 1997) показано, что экологический гетерозис у томата зависит от реакции исходных форм на последействие условий выращивания семян, однако эта зависимость не является прямой и однозначной.
Как отмечают Даскалов и др. (1978), построение одной целостной теории для объяснения гетерозисных явлений у всех живых существ невозможно, поскольку эффект гетерозиса в разных случаях можно объяснить различными причинами и, прежде всего, разнообразием и сложным взаимодействием цитоплазмы, физиологических и биохимических факторов.
Большая роль принадлежит гетерозису в эволюции растений. Так, по мнению академика А.А.Жученко (1997), гетерозисные по общей и специфической приспособленности гетерозиготы способны лучше, по сравнению с гомозиготами и обычными гетерозиготами, сохранять наиболее адаптивно значимые блоки коадаптированных генов от рекомбинационного разрушения, что вероятно, во многом способствовало закреплению перекрестного опыления в процессе эволюции, позволяя тем самым, снизить потери биологического материала, а также обеспечить прогрессивный характер эволюции в целом.
Селекция на продуктивность и экологическую стабильность, среда как фон для отбора
Одной из главных задач в селекции растений является сочетание в одном сорте высокой продуктивности с экологической стабильностью. Это положение не является новым и было рассмотрено рядом авторов (Курганская, 1991; Жученко, 1980, 1995; Кильчевский, Хотылева, 1989, 1997; Кильчевский, 1995; Арамов и др., 1995; Скорина, 1997). Требование сочетания высокой продуктивности и экологической стабильности не случайно. Сложившаяся практика показывает, что в настоящее время в массовом производстве реализуется лишь 30-40%, а в лучшем случае 50-60% потенциальной продуктивности сортов основной причиной чего является их недостаточная экологическая устойчивость (Жученко, 1988). Особое место в селекции растений на сочетание высоких уровней потенциальной продуктивности и экологической стабильности занимает создание гибридов Fi. В монографии Л.В. Хотылевой, Л.А. Тарутиной (1982) обобщены сведения о больших адаптивных возможностях гибридов, по сравнению с исходными родительскими формами у перекрестников и самоопылителей. Большинство исследователей подчеркивает лучшую устойчивость гибридов Fi к неблагоприятным и/или изменяющимся условиям внешней среды, по сравнению с исходными линиями, благодаря их большему спектру защитно-компенсаторных реакций. Так, согласно имеющимся данным, значительная часть гетерозисного эффекта у кукурузы, пшеницы и ячменя обусловлена лучшей устойчивостью гибридов Fi к высоким температурам (Millerd, McWilliam, 1968; McDaniel, Taylor, 1979).
Гибриды Fi могут обладать не только высокой устойчивостью к абиотическим стрессам, но, как отмечают многие исследователи, и большей толерантностью к поражению вредителями и болезнями. По данным E.Radulescu et al. (1964), двойные гибриды кукурузы обычно более устойчивы к головне, чем исходные простые гибриды и родительские линии. Р.Пайнтер (1953) считает, что большая общая энергия роста растений Fb обусловленная гетерозисом, обеспечивает их выносливость к поражению насекомыми. Это обстоятельство лишний раз подтверждает положение о тесной взаимосвязи устойчивости растений к абиотическим и биотическим стрессам.
Широкое использование гибридов \ обусловлено не только явлением "истинного гетерозиса", но и возможностью быстрого комбинирования наиболее важных хозяйственно ценных признаков, включая и те из них, между которыми существуют отрицательные фенотипические и экологические корреляции и сочетать которые при сортовой селекции не удается. При этом особенно важно совместить высокую потенциальную продуктивность и экологическую устойчивость (Жученко, 1988; Скорина, 1998). Однако существуют весьма различные точки зрения относительно возможностей сочетания в одном генотипе этих двух показателей. Как считает Adamer (1967), повышение ценности одних компонентов урожайности за счет селекции обычно снижают ценность других. Тем не менее, не стоит преувеличивать трудности сочетания в одном генотипе потенциальной продуктивности с экологической устойчивостью. Еще в работах И.В.Мичурина (1948), Л.Бербанка (1955), Н.П. Цицина (1978) была продемонстрирована возможность решения этой задачи. О реальной возможности сочетания потенциальной продуктивности с экологической устойчивостью в одном сорте или гибриде свидетельствует тот факт, что эти признаки контролируются разными комплексами генов (Finlay, Wilkinson, 1983).
Проявление признаков, в том числе признаков адаптивности, у гибридов первого поколения томата, по мнению Powers (1952), варьирует от полного отсутствия доминирования через промежуточное доминирование до гетерозиса. При этом в зависимости от признака в одном случае среда, в других - генотип могут определить, проявится доминирование или гетерозис.
Решение проблемы сочетания высокой продуктивности с ее стабильностью не менее актуально и при сортовой селекции, хотя в этом случае приходится сталкиваться с определенными сложностями. Тем не менее, получены определенные положительные результаты в этом направлении. Так, например, индийские ученые Jatasra и Poroda (1981) установили, если родительские формы не различаются по отзывчивости на условия выращивания, гибридная популяция не будет гетерогенна по данному признаку. Если же родители резко отличаются по отзывчивости, то имеется возможность выделить из популяции образцы с различной приспособленностью.
В большинстве случаев гибриды занимают промежуточное положение между родителями. Другие опыты также подтверждают вывод о промежуточном наследовании и отзывчивости на условия выращивания (Dahia, Singh, 1982).
Оценка комбинационной способности стерильных и фертильных линий томата в открытом грунте
Таким образом, в результате изучения биологии цветения и размножения было отмечено, что формы М-1 и М-2 обладают тычинковой стерильностью. Для использования в гетерозисной селекции эти формы можно поддерживать в результате естественного опыления. При этом поддержание стерильного типа цветков возможно на 100%. Для увеличения выхода семян возможно использование принудительного самоопыления. Формы Л-337 и Л-338 обладают функциональной мужской стерильностью и партенокарпией. Их поддержание возможно только при принудительном опылении своей пыльцой. Наиболее оптимальными сроками опыления изучаемых стерильных форм для получения гибридных семян является 3-4 день после фазы желто-зеленого бутона.
Изучаемые формы томата Л-337 и Л-338 имеют рецессивный маркерный признак "картофельный лист", а форма М-2 - штамбовый тип куста. По этим признакам возможно проведение анализа гибридности семян на ранних стадиях развития. В своей работе мы проводили анализ гибридности семян, полученных от опыления чужеродной пыльцой без кастрации, на стадии сеянцев.
Важным и особенно трудоемким этапом селекционной работы по созданию гетерозисных гибридов является оценка комбинационной способности исходных форм. Как справедливо отмечает А.В. Алпатьев (1981), не всякая гибридная комбинация является высокоурожайной или вообще практически ценной. Поэтому наряду с целенаправленным подбором родительских форм необходимо проверить их комбинационную способность. Существуют многочисленные способы проверки комбинационной способности. По мнению А.А. Жученко (1973), наиболее приемлемые из них следующие: 1. Диаллельные скрещивания (все возможные скрещивания между п генотипами, при этом образуется п[п-1] комбинаций); 2. Топкросс (скрещивания с несколькими тестерами); 3. Простое скрещивание (скрещивание между двумя линиями или сортами); 4. Поликросс (массовое скрещивание); 5. Свободное опыление.
Оценкой комбинационной способности по ряду признаков сортов или линий томата с использованием вышеуказанных методов занимались многие исследователи (Жученко, 1973; Гавриш, 1992; Новицкий, 1997; Арамов, Наджиев, 1998; Крючков, Монахос, Немати, 1999 и др.). В своей работе мы изучали комбинационную способность стерильных и фертильных линий томата по двум основным признакам - продуктивности растений и скороспелости. Скрещивания проводили по методу топкроссов. Отцовские линии подбирали с целью обеспечения наибольшего разнообразия по морфологическим и хозяйственным признакам (тип куста, форма плода, урожайность, сроки созревания). В 1998-1999 гг. нами было испытано 28 гибридов Fi и 11 родительских форм в открытом грунте. В качестве стандарта был принят районированный во многих областях России сорт томата отечественной селекции - Грунтовый грибовский 1180.
Дисперсионный анализ эффектов общей (ОКС) и специфической (СКС) комбинационной способности по продуктивности показал существенные различия линий по этим показателям (табл. 2).
В среднем за два года изучаемые генотипы значительно различались по продуктивности: у стерильных линий она варьировала от 0,11 до 0,46 кг, у фер-тильных - от 0,66 до 1,28 кг, а у гибридов - от 0,73 до 1,45 кг (табл.3). Продуктивность большинства гибридов Fi была выше продуктивности лучшей родительской линии и превышала стандарт Грунтовый грибовский 1180: Л-338 х Дубрава на 32%, Л-338 х Перемога 165 на 30%, М-2 х Гранд на 26%, Л-337 х Дубрава и Д-338 х Челнок на 22%.
Высокими эффектами ОКС по продуктивности отмечается стерильная линия Л-338 (0,12 кг), низкой - М-1 (-0,16 кг). Среди фертильных линий высокую ОКС имели Дубрава (0,25 кг), Перемога 165 (0,12 кг), низкую - линии Тамбовский урожайный 340 (-0,17 кг) и Сибирский скороспелый 1450 (-0,14 кг).
Наиболее высокий эффект специфической комбинационной способности по продуктивности был выявлен в комбинациях скрещивания М-2 х Гранд (0,35 кг) и М-2 х Сибирский скороспелый 1450 (0,20 кг), низкий - в комбинациях М-2 х Перемога 165 (-0,22 кг) и Л-337 х Гранд (-0,18 кг) (табл. 4).
Определение параметров адаптивной способности линий томата, используемых в гибридизации в качестве родительских форм
В последние годы наряду с задачей получения высокопродуктивных форм большое внимание уделяется экологической стабильности. Экологическое испытание генотипов в различных условиях способствует выявлению сортов, линий и гибридов, приспособленных к конкретным условиям выращивания, что в свою очередь позволит сделать вывод о потенциале продуктивности и реакции генотипов на изменение условий среды. В связи с этим в задачу наших исследований входило изучение параметров адаптивной способности семи линий, выделенных из высокоурожайных сортов: Дубрава, Перемога 165, Гранд, Патрис, Сибирский скороспелый 1450, Тамбовский урожайный 340, Челнок и двух партенокарпиче-ских линий Л-337 и Л-338, используемых нами в гибридизации в качестве родительских форм. Формы М-1 и М-2 использовались нами как материнские стерильные, поэтому параметры адаптивности этих форм мы не определяли.
В работах, посвященных изучению адаптивной способности и экологической стабильности, генотипы овощных культур характеризовались только по признаку урожайности или продуктивности растений (Сиротин, 1989; Мусаев, 1994 и др.). По остальным количественным признакам сортам дается оценка по комплексному показателю - селекционной ценности генотипа (СЦГі). По нашему мнению было бы целесообразно дать характеристику генотипам по основным количественным признакам и по всем параметрам адаптивной способности и экологической стабильности.
Результаты оценки параметров экологической стабильности девяти линий и стандартного сорта Грунтовый грибовский 1180 томата по продуктивности растений в различных условиях выращивания в течение двух лет приведены в таблице 16. Полученные данные показывают, что самую высокую продуктивность (X ) имели генотипы Дубрава, Гранд, Патрис, Перемога 165 м и более низкую -Л-337, Л-338.
Необходимо отметить, что под адаптивной способностью понимается способность генотипа поддерживать свойственное ему фенотипическое выражение признака в определенных условиях среды. Общая адаптивная способность (ОАС) характеризует среднее значение признака в различных условиях среды, специфическая адаптивная способность (САС) - отклонение от ОАС в конкретной среде (Кильчевский, Хотылева, 1989).
Высокой общей адаптивной способностью отличается линия Дубрава. Наименьшая ОАС проявилась у линий Л-337, Л-338, Челнок, Сибирский скороспелый 1450, Тамбовский урожайный 340. Линии Гранд, Патрис, Перемога 165 занимали промежуточное положение по этому показателю.
Выделившаяся по продуктивности и ОАС линия Дубрава имеет и высокую вариансу САС. При этом она характеризуется относительно низкой стабильностью по продуктивности растений (Sgi=51,47%) и высокой отзывчивостью на улучшение среды (Ы=2,2).
Линия Тамбовский урожайный 340 обладает отрицательным эффектом ОАС, а по уровню вариансы САС занимает промежуточное положение между испытанными образцами. Она обладает средней относительной стабильностью и оптимальным значением на улучшение условий среды (Ы=1,01) и не выделяется по СЦГі.
Для одновременного отбора образцов, сочетающих продуктивность со стабильностью ее проявления, служит показатель селекционной ценности генотипа (СЦГі). Относительно низкая стабильность по продуктивности и высокая отзывчивость на улучшение условий среды значительно снижают СЦГі линий Дубрава и Патрис.
Наибольшей СНГ обладают линии Перемога 165 и Гранд. Они характеризуются высокой стабильностью по продуктивности растений и мало реагируют на изменение условий среды. Они и оказались лучшими образцами, сочетающими высокую урожайность со стабильностью.
Анализ параметров адаптивной способности и экологической стабильности линий томата показывает, что продуктивность растений и стабильность относительно независимы. Высокопродуктивные сорта могут в равной степени быть как стабильными, так и нестабильными.
В.В. Скорина (1998) отмечает, что по продуктивности и экологической стабильности одного и того же признака может проявляться различная степень доминирования, что позволяет судить о независимости их наследования. Эти два показателя находятся под контролем различных групп генов. Это свидетельствует о возможности сочетания эффекта гетерозиса по продуктивности и экологической стабильности в одном генотипе.
По нашему мнению, значительный интерес представляет изучение адаптивной способности признаков - средняя масса плода и количество плодов на растении.
Результаты исследований показывают, что наиболее крупными были во всех средах плоды линии Дубрава (табл.17). Эта линия обладает высокими эффектами ОАС. Сравнительно мелкими плодами и отрицательным эффектом ОАС обладают линии Л-337, Л-338 Челнок и Гранд. У других линий по крупности плода, а следовательно и по ОАС существенных различий не обнаружено. По вариансе САС для признака масса плода наибольшим значением выделяется линия Дубрава, промежуточное положение у линии Гранд, у остальных линий вариансы САС были низкими.
