Содержание к диссертации
Введение
1 CLASS Обзор литератур CLASS ы
1.1 Мировое производство и потребление риса 8
1.2 Важность изучения количественных признаков 9
1.3 Генетический потенциал изменчивости риса 23
1.3.1 Гены культурного риса 26
1.3.2 Проростки 29
1.3.3 Стебель 35
1.3.4 Метелки 46
1.3.5 Зерновка 54
1.3.6 Биологические признаки 56
2 Почвенно-климатические условия, исходный материал и методика проведения исследований
2.1 Почвенно-климатические условия 63
2.2 Исходный материал 67
2.3 Методика исследований 69
3 Создание исходного материала для селекции риса с использованием генетики количественных признаков
3.1 Наследование количественных признаков в F] - F2
3.1.1 Высота растения 72
3.1.2 Длина метелки , 83
3.1.3 Длина зерновки 94
3.1.4 Ширина зерновки 101
3.1.5 Масса 1000 зерен 107
3.1.6 Количество зерен в метёлке 114
3.2 Наследование признаков в F3 - F4 , 119
3.3 Характеристика сорта Командор, созданного с участием автора 136
Выводы 139
Предложения селекции и производству 140
Литература 141
Приложения 150
- Генетический потенциал изменчивости риса
- Методика исследований
- Высота растения
- Характеристика сорта Командор, созданного с участием автора
Введение к работе
Рис - наиболее распространенная крупяная культура на земном шаре, основной продукт питания более чем для трети населения Земли. Крупа риса - ценный диетический продукт, обладает высокими питательными свойствами. По урожайности он занимает в мире первое место среди зерновых культур, а по посевным площадям и валовому сбору- второе. В России и странах ближнего зарубежья урожайность риса в среднем составляет около 40 ц/га.
В последние годы состояние рисоводства резко ухудшилось в результате многократного подорожания гербицидов, удобрении, семян, электроэнергии, горюче-смазочных материалов, услуг авиации и т.д. Для повышения урожайности этой ценной культуры огромное значение имеет создание новых продуктивных сортов. Такая работа в современных условиях невозможна без селекционно-генетических исследований.
В селекционной работе с растениями для более быстрого достижения цели - создание сорта или гибрида - важно знать характер наследования качественных и количественных признаков. Но если с качественными признаками дело обстоит просто - достаточно провести лишь обычный гибридологический анализ небольшой популяции от скрещивания гомозиготных, контрастных по проявлению признака сортообразцов, то с количественными признаками всё гораздо сложнее.
К количественным признакам относятся: высота растений, длина метёлки, масса семян, размеры зерновок, количество зерновок в метёлке и т.п. Эти признаки контролируются 3-5 и более генами.
Анализ гибридов первого - третьего поколений позволяет выявить характер наследования признаков, на основе которых формируется продуктивность растений. С помощью математико-статистических методов генетического анализа можно установить типы действия генов, детерминирующих признак, и установить число генов, по которым различаются изучаемые гено-
типа, выбрать направления и методы селекции, и на этой основе формировать исходный материал.
Рабочая гипотеза, цель и задачи исследований
Основным методом создания новых сортов риса является гибридизация с последующим отбором элитных растений. Эффективность отбора в гибридных популяциях зависит от знания генетических процессов организ-менного и популяциошюго уровней. Изучение количественных признаков изучено меньше чем качественных, хотя они являются наиболее важными для формирования признаков продуктивности растений риса.
Знание природы этих генов, их количества и локализации в хромосомах позволит более целенаправленно и эффективно проводить отбор нужных линий, являющихся предшественниками новых сортов. Поэтому изучение генетики количественных признаков риса является весьма актуальным и имеет очень большое теоретическое и практическое значение.
Цель исследований: изучить закономерности наследования количественных признаков риса и отобрать перспективные рекомбинанты. Для этого поставлены следующие задачи:
подобрать по контрастно различающимся признакам исходный коллекционный материал;
провести гибридизацию родительских форм между собой;
провести биометрический анализ родительских сортообразцов и гибридов F]-F4;
провести генетический анализ, в ходе которого выявить количество генов, их силу и тип наследования;
провести отбор гибридных линий, сочетающих в себе комплекс хозяйственно-ценных признаков, создать исходный материал для практической селекции.
Научная новизна. Впервые в нашей стране проведено широкое изучение наследования количественных признаков риса.
Осуществлена гибридизация сортов и коллекционных линий культурного азиатского риса Oryza sativa L. по 34 комбинациям скрещивания.
С помощью компьютерных программ генетического анализа установлен ряд закономерностей наследования количественных признаков высоты растений, длины метелки, размеров и количества зерен у гибридов риса. Установлен тип наследования генов, их число и сила действия. Отобраны константные линии с новыми сочетаниями хозяйственно-ценных признаков, отсутствующими в мировой коллекции. Создан новый сорт риса Командор с комплексом хозяйственно-ценных признаков и свойств. Представляет интерес для сельскохозяйственного производства.
Практическая ценность работы. Выполнен большой объм исследований по изучению наследования количественных признаков риса. Из F3-F4 выделены высокопродуктивные линии, близкие по морфологии к культурным сортам, несущие в себе высокую устойчивость к полеганию, которые включены в селекционный процесс в качестве промежуточного материала.
Обоснована и экспериментально подтверждена перспективность для селекции генетического анализа количественных признаков.
Отобраны для дальнейшей селекционной работы гибриды и линии риса, сочетающие ценные признаки от разных сортов. Созданный с участием автора высокоурожайный сорт риса Командор, который находится в Государственном сортоиспытании с 2005 г.
Апробация работы. Исследования проведены в 2002-2005 гг. в соответствии с планом научно-исследовательских работ Всероссийского НИИ зерновых культур им. И.Г. Калиненко. Основные положения по теме диссертации ежегодно докладывались: на заседаниях ученого совета Всероссийского НИИ зерновых культур им. И.Г. Калиненко (2003 -2005 г.); на областных научных конференциях ВОГиС (Ростов, 2004-2005 гг.); на координационных научно-методических совещаниях по селекции, семеноводству, технологии
-7-возделывания и переработки риса (Зерноград, 2004, Краснодар 2005), научных конференциях.
По материалам исследований, представленных в диссертации, опубликованы 9 работ общим объемом 2,18 печатных листов.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
Новые гибриды культурного риса, их характеристика.
Результаты изучения наследования количественных признаков у гибридов Fj-F3 с помощью компьютерных программ генетического анализа.
Новые линии (F3-F4) риса с комплексом признаков, полученных от разных сортов.
Сорт риса Командор.
Структура работы. Диссертация изложена на 197 страницах машинописного текста состоит из введения, 3 глав, основных выводов и предложений производству и селекционной практике, списка литературы из 163 наименований, в том числе 97 иностранных. Работа, включает 12 таблиц, 77 рисунков и 61 приложения.
Представленная работа написана на основании экспериментального материала, выполненного лично автором в течение 2002-2005 гг.
Искреннюю благодарность автор выражает научному руководителю -доктору сельскохозяйственных наук, заведующему отделом селекции, семеноводства и технологии выращивания риса Костылеву Павлу Ивановичу.
Особая признательность - директору ОПХ «Пролетарское» Половяно-ву А.Г., всем сотрудникам и лаборантам ВНИИЗК за помощь в более глубоком изучении отдельных вопросов и оформлении диссертации.
Генетический потенциал изменчивости риса
Нанесем три типа потомков в виде точек на четырехугольном поле с ординатой о2 и абсциссой х.
Мы получаем симметричный треугольник из трех групп точек (рис. 1). В этом треугольнике будем различать основание, обращенное к оси х, минус-угол, плюс-угол и вершину треугольника.
После того, как мы будем иметь большое количество потомств F3, взятых без выбора из популяции, определим для каждого из них X и а2 и затем нанесем эти «эмпирические точки» на X — о поле. Эти точки должны будут расположиться, образуя более или менее выраженные скопления около наших трех «теоретических точек» каркаса.
Если паратипическая изменчивость не слишком сильна и число особей в каждой семье достаточно велико, чтобы сделать статистическую ошибку незначительной, то при рассматривании всего треугольника в целом мы сможем заметить лежащий в его основе рисунок каркаса из трех точек или центров скопления эмпирических точек.
Рисунок 1.1. Схема распределения эмпирических точек в моногибридном треугольнике.
Различным генотипическим случаям соответствуют очень разнообразные треугольники. Таким образом, идея метода треугольника сводится к тому, что каждый гснотипическии случай эмпирических точек вскрывается на X — о2 поле, и открывается возможность по числу и расположению этих центров сгущения распознать, с каким именно генотипическим случаем мы имеем дело.
Разработка теории этого метода в свою очередь сводится к тому, чтобы для всех мыслимых генетических случаев дать предварительно строение треугольника, исследовать, как различные генетические моменты (доминирование, сцепление, число генов и их сила, летальность, сцепление с полом и т. д.) отражаются на особенностях строения «треугольника».
Рассмотрим влияние числа генов и доминирования на характер треугольника. Возьмем дигибридное скрещивание с одинаковой силой генов.
Из решетки Пеннета получим 9 генотипов.
Чем больше гетерозиготи ость гибридов F2, тем выше величина вари-ансы (дисперсии) в семьях Fj. Поэтому о23 о:2 cV Точечный график будет иметь следующий вид (рис.2).
Расщепление по величине признака будет 1:4:6:4:1.
В случае разной силы генов А и В каждая из трех неоднородных по генотипам групп точек (например, Аавв + ааВв) разделится на две и раздвинется по горизонтали, что усложнит картину.
Каждый новый равносильный геи увеличивает число точек, причем по основанию, как и по другим сторонам, прибавляются лишние точки. Доминирование приводит к асимметричному треугольнику.
Тысячелетняя история возделывания в самых различных природных условиях определила сильно выраженную изменчивость культурного риса, особенно вида О. sativa. Разнообразие сортов O.glaberrima не столь велико, очевидно, из-за менее продолжительной истории возделывания.
Изучение генетического потенциала изменчивости видов риса, т. е. раскрытие системы их наследственной изменчивости, возможно только с привлечением мирового разнообразия рода Oryza — природного, селекционного и полученного экспериментально.
Функции мирового хранилища и обменного центра, наряду с собственными изысканиями, несет с 1961 г. Международный научно-исследовательский институт риса - IRRI (Филиппины). Международный центр зародышевой плазмы при институте имеет дубликаты большинства национальных коллекций, аборигенные образцы азиатских стран, дикорастущие виды риса. Из зарегистрированных во всем мире 120 тысяч сортов половина представлена в IRRI (Levin R. 1982).
В странах Азии, Африки и Америки созданы национальные и региональные коллекции. К числу наиболее крупных принадлежит коллекция зародышевой плазмы при Институте тропических культур (IITA) в Нигерии (5 тыс. образцов африканского риса), коллекция Национальной лаборатории консервации семян в Форт-Коллинсе, штат Колорадо (13 тыс. образцов).
В нашей стране многообразие форм риса сосредоточено в коллекциях Всесоюзного научно-исследовательского института растениеводства им. Н.И.Вавилова и Всероссийского научно-исследовательского института риса. Большую часть коллекции составляют образцы O.sativa из СНГ и азиатских стран.
Во ВНИИ зерновых культур много лет поддерживается коллекция сортов и форм риса, обладающих большим количеством мутантных генов, необходимых как в генетических исследованиях, так и в селекционной работе.
Выяснение генетических основ количественных признаков у риса, составляющих основные элементы структуры урожая, - одна из наиболее важных задач, решение которой необходимо для ускорения селекционного процесса.
Гены, определяющие развитие количественных признаков, слабо изучены. Трудность выявления последних заключается в том, что эти признаки контролируются большим количеством генов, каждый из которых в отдельности имеет сравнительно небольшой эффект (Седловский А.И., и др. 1980., Рыбаченко СИ., Рыбаченко В.Г., 1972). Кроме того, проявление большинства количественных признаков во многом зависит от действия внешних факторов, в частности площади питания одного растения.
Методика исследований
Основным методом работы является межсортовая гибридизация, индивидуальный отбор во втором и последующих поколениях из гибридного материала. Гибридизация осуществляется в пленочной теплице твел-методом.
Посев семян гибридов Fi проводили в вегетационные сосуды, в теплицу, а после стабилизации слоя воды осуществляли пересадку растений в чек гибридный питомник что значительно увеличивает кустистость и количество семян F2. Большое количество особей F2 дает возможность эффективного отбора лучших рекомбинантов.
Гибриды F2 высевали посемейно в гибридном питомнике с использованием родительских форм в качестве стандартов, а при достаточном количе-стве посевного материала- в питомнике ССФК с площадью делянки 20 м .
Выделившиеся гибриды F3 высевали посемейно в гибридном питомнике и питомнике ССФК (Методика ВНИИР, 1972).
В процессе вегетации поводили наблюдения за растениями с регистрацией фаз вегетации, общего состояния их развития, появления вредителей и болезней. Убирали все растения гибридов F] , более 300 F2 и по 20 - 30 семей F3 и не менее 50 растений родительских форм - вырезая, главный стебель с метёлкой.
В лабораторных условиях их подвергали биометрическому анализу.
При этом измеряли высоту растений, длину метёлки и каждого междоузлия, с помощью штангенциркуля - длину и ширину зерновки, просчитывали общее количество колосков на метёлке. Массу 1000 зерен определяют путем взвешивания парных проб по 50 шт. при допустимом расхождении не более 5% (Методика ВИР, 1984).
Остальные изучаемые количественные признаки получали путем математических расчетов. Масса метелки = масса 1000 зерен / на 1000 х на количество завязавшихся зерен на метелке, г. Плотность метелки = количество зерен на метелки / длина метелки, шт./ см.
Математическая обработка данных исследований проводится по методикам Б.А.Доспехова (1973), П.Ф.Рокицкого (1974), В.А.Дзюба (2004), А.Ф. Мережко (1984), с использованием ЭВМ и программы Statistika.
Для генетического анализа количественных признаков, отвечающих за продуктивность растений, используются компьютерные программы поиска моделей расщепления (по критерию %) Gen-З (Костылев П.И. Иванов В.В 1987) и Генэкспресс, Полиген А, Полиген М (Мережко А.Ф., 2005). Сущность их работы заключается в том, что по виду кривых распределения частот признаков определяется число генов и характер их наследования. В соответствии с полученной информацией планируется селекционная работа: минимальный размер популяции F? и направление отбора.
В дальнейшем отобранные формы ежегодно изучаются в ручном и сея-лочном посеве селекционного питомника. Там проводится жесткая браковка образцов, имеющих склонность к полеганию, позднеспелых, восприимчивых к пирикуляриозу, осыпающихся, с плохими технологическими свойствами и т.д., после чего они передаются в контрольные питомники, конкурсное и государственное сортоиспытание.
Стебель злаковых растений также называется соломиной. На растениях риса стебель - важный орган, тесно связанный с устойчивостыо к полеганию и, в конечном счете, влияющий на урожай зерна. Рис, выведенный в последние три десятилетия, поэтому был нацелен на увеличение сортов с короткими и жесткими стеблями и с такими признаками, как высокая урожайность, устойчивость к болезням, высокое качество,
В результате проведенных исследованиях было проанализировано наследование количественных признаков по 30 гибридным комбинациям.
Высота растений в F] преимущественно доминировала и сверхдоми-нировала (рис.1). Истинный гетерозис достигал - 28, гипотетический - 35%, У 7 гибридов между низкорослыми формами и Стрельцом, а также между Бахусом и Хазаром наблюдали неполное и частичное доминирование (степень доминирования hp=0,2-0,74). Они представляют интерес для селекции гибридов, т.к. в силу небольшой высоты стебля более устойчивы к полеганию. В среднем, по всем комбинациям степень доминирования составила -2,75, истинный гетерозис - 5,0, гипотетический - 15,6% (приложение 1).
Во втором поколении характер кривых распределения частот признака (дальше - кривая) значительно различался в зависимости от комбинаций скрещиваний, от степени различий между родительскими формами (далее РФ), направления и степени доминирования, числа генов (табл. 3.1).
Когда РФ не различались по высоте, гибриды показали 2 типа кривых: 1) совпадающие с родительскими, 2) трансгрессивные.
Высота растения
Стебель злаковых растений также называется соломиной. На растениях риса стебель - важный орган, тесно связанный с устойчивостыо к полеганию и, в конечном счете, влияющий на урожай зерна. Рис, выведенный в последние три десятилетия, поэтому был нацелен на увеличение сортов с короткими и жесткими стеблями и с такими признаками, как высокая урожайность, устойчивость к болезням, высокое качество,
В результате проведенных исследованиях было проанализировано наследование количественных признаков по 30 гибридным комбинациям.
Высота растений в F] преимущественно доминировала и сверхдоми-нировала (рис.1). Истинный гетерозис достигал - 28, гипотетический - 35%, У 7 гибридов между низкорослыми формами и Стрельцом, а также между Бахусом и Хазаром наблюдали неполное и частичное доминирование (степень доминирования hp=0,2-0,74). Они представляют интерес для селекции гибридов, т.к. в силу небольшой высоты стебля более устойчивы к полеганию. В среднем, по всем комбинациям степень доминирования составила -2,75, истинный гетерозис - 5,0, гипотетический - 15,6% (приложение 1).
Во втором поколении характер кривых распределения частот признака (дальше - кривая) значительно различался в зависимости от комбинаций скрещиваний, от степени различий между родительскими формами (далее РФ), направления и степени доминирования, числа генов (табл. 3.1).
Когда РФ не различались по высоте, гибриды показали 2 типа кривых: 1) совпадающие с родительскими, 2) трансгрессивные.
Пример совпадающих кривых показан на рисунке 3.2.
В комбинации 851/01 х Боярин кривые родителей и гибрида, а также их вершины совпадают и имеют средние значения 80 - 82 см. Это свидетельствует об отсутствии различий между исходными формами по генам высоты.
В другой комбинации - 775/01 х Приманыческий, где РФ также были близки по высоте (91 - 95 см), наблюдали значительную левосторонняя трансгрессию, а также небольшую правостороннюю (рис.3.3). Генетический анализ позволяет сделать вывод о различии РФ по аллельному состоянию 2 пар генов (ААввх ааВВ). В процессе расщепления выделилось 9/16 низкорослых форм с двумя доминантными генами и 1/16 - высокорослых двойных рецесвов.
Трансгрессивное расщепление выявилено также по комбинации (AV-1 х Лоцман сіп) х Боярин (рис, 3.4), но родительские формы имели незначительное расхождение по высоте (6 см.), а вершина распределения частот значения высоты стебля гибрида совпадала с вершиной высокорослого родителя - AV-1 х Лоцман сіп (х= 79 см), что свидетельствовало о доминировании больших значений.
В остальных расщепляющихся популяциях кривые значения высоты стебля у гибридов находились в пределах варьирования обеих РФ, но разли -78-чались по степени асимметрии и эксцесса, что свидетельствовало о разных степенях доминирования и числе генов.
На рисунке 3.5 показан случай мопогибридного расщепления с полным доминированием меньшего значения признака. В комбинации Светлый х Стрелец кривая распределения частот выявила правостороннюю асимметрию (As=0,22) (приложение 10), а ее вершина была смещена в сторону Светлого (х = 81см), что свидетельствовало о доминировании меньших значений признака материнской формы. Расчет данных родительских форм и гибрида с помощью программ генетического анализа Genexpress и Gen3, выявил различия по одной паре генов.
Как показано на рисунке 3.5, на долю рецессивного родителя - Стрельца приходилось олодо 25% частот кривой распределения частот гибрида, т.е. распределение фенотипов в соотношении 3:1.
Такой же тип наследования при различии исходных родительских пар в 1 пару генов наблюдался в комбинациях: Бальдо х Боярин, Ромео х Боярин, 775/01 х Боярин (табл. 3.1).
Характеристика сорта Командор, созданного с участием автора
Энергия начального роста растений риса имеет большое значение в товарном производстве. Быстро растущие, густые, хорошо развитые всходы позволяют раньше залить их толстым слоем воды и, тем самым, более успешно бороться с сорной растительностью. Немаловажным это свойство оказывается и при технологии получения всходов из-под слоя воды.
Однако, как правило, такие быстро растущие сорта, как Кубань 3, Спринт, Приманычский и другие, при созревании сильно полегают и поэтому непригодны для широкого использования.
С другой стороны, неполегающие интенсивные сорта типа Хазар, Боярин, Вираж, имеют невысокую энергию роста, что отрицательно сказывается на полевой всхожести и густоте посевов.
Поэтому задача объединения в одном генотипе признаков высокой энергии начального роста и устойчивости к полеганию является весьма актуальной и привлекательной.
Образец с высокой энергией роста Бахус был скрещен с двумя среднеспелыми сортами: Боярин, Хазар и с двумя скороспелыми: Вираж, Дончак. Проростки F2 в возрасте одного месяца (по 400-600 в каждой комбинации) были извлечены из почвы, промерены по длине, рассортированы на 5 групп и высажены обратно на делянки. После созревания из каждой группы были отобраны по 20 растений с наиболее озернеиными метелками и семена с них высеяны на следующий, 2005 год, по семьям F3, в общей сложности на 400 делянках. Осенью все семьи (делянки) были распределены на 3 типа:
1) тип Бахус;
2) тип отцовской формы;
3) гетерозиготьг (расщепляющиеся) (табл. 3.7.).
При анализе частот типов растений оказалось, что во всех четырех комбинациях преобладали гетерозиготьг от 41,8 до 56%. Соотношение родительских типов изменялось в зависимости от комбинации: у гибрлда Бахус х Дончак их. было поровну (по 22%), у Кахус х Вираж преобладал тип Бахус (33 : 25,5%)), а у двух других - отцовские типы: Боярин - 36,4; Хазар - 38% , тогда как частоты типа Бахус составляли 16 и 15,6%) соответственно.
Сделать однозначные выводы о числе генов, определяющих различия между типами сортов, в данном случае невозможно, из-за того, что, во-первых: выборка нерепрезентативная, т. к. частоты разных оценочных групп в F2 различались, а в F3 взяты поровну; во-вторых: популяции подверглись влиянию отбора по продуктивности метелки; в-третьих: семьи разных групп имели различную жизнеспособность, что повлияло на их выживаемость к уборке. В результате анализа полученных данных было установлено, что ге-терозиготы были во всех пяти группах, но преимущественно в средних (по энергии роста F2) (рис. 3.72).
Наибольшее количество семей типа Бахус (от 42 до 90%) встречалось в пятых группах, плавно снижаясь ко вторым. В комбинациях с Дончаком тип Бахус не встречался и во второй группе, а с Боярином - в третьей. В первых группах типа Бахуса не было совсем, а количество отцовских типов было максимальным (от 40 до 86%), уменьшаясь к пятым. При этом в комбинациях с низкорослыми сортами Вираж и Дончак растений этого типа в пятых группах не было вообще, а у гибрида Бахус х Боярин выявлено 3 семьи типа Боярин и у гибрида Бахус х Хазар - I семья типа Хазар. Эти семьи были убраны полностью для пересева на больших делянках из-под слоя воды с целью дальнейшего отбора форм, сочетающих высокую энергию роста и устойчивость к полеганию.
Таким образом, было доказано, что объединение в одном генотипе таких трудно сочетаемых признаков, как интенсивность начального роста и неполегаемость растений, вполне возможно. Сорта с таким комплексом генов имеют большую перспективу.
Лучшие линии F3 были отобраны для пересева на следующий год. Например, из комбинаций Ромео х Вираж, Ромео х Боярин, Бальдо х Вираж, Бальдо х Боярин в 2004 году для дальнейшего изучения было выделено 240 линий F3, которые были высеяны посемейно в гибридном питомнике F4. В процессе селекционной работы из них было выделено 10 лучших образцов (табл.3.8).
Выделившиеся образцы характеризуются ранним и дружным взметыванием и созреванием, вегетационный период варьирует от 98 до 115 дней, что позволяет отнести их к раннеспелой (8632/05, 8638/05, 8869/05) и среднеспелой группе. Разновидность линий - нигро-апикулята.
Высота растений колебалась от 58 см (8638/05) (рис.3.73) до 91 см (8869/05), в среднем по группе составила 81 см.
