Введение к работе
Актуальность темы. Виноград — одна из немногих сельскохозяйственных культур, являющихся основой целых отраслей народного хозяйства и от состояния которых зависит уровень развития крупных регионов и стран, жизнь и благосостояние миллионов людей, работающих с ними. Современным считается такое сельское хозяйство, которое не только экономически эффективно, но и обеспечивает сохранение природных ресурсов, охрану окружающей среды и безопасные условия для жизни человека. Преодоление этого антагонизма возможно при условіш создания принципиально нового сортимента растений. Исследователи многих стран мира работают над селекционными проектами для достижения данной цели с использованием традиционных методов, усиленных методами биотехнологии. Весомый вклад в развитие теоретических положений и разработку методологических основ селекции винограда сделали отечественные и зарубежные ученые - Айбах Р., Аллевельдт Г., Волынкин В.А., Голодрига П.Я., Гузун Н.И., Докучаева Е.Н., Киреева Л.К., Костик М.А., Кострикин И.А., Мелконян М.В., Негруль А.М., Смирнов К.В., Топалэ Ш.Г., Трошин Л.П., Тулаева М.И. и другие.
Учение об исходном материале является основой современной селекции. Эффективность выбора и создания исходного материала непосредственно влияет на успехи и достижения селекции растений. Отсутствие теоретического обоснования не позволяло до настоящего времени успешно проводить подбор родительских форм и отбор в гибридном потомстве винограда, приводило к неоправданному увеличению масштабов создаваемого исходного материала. Вместе с тем в связи с оптимизацией селекционного процесса существует необходимость в поиске новых решений с использованием современных методов. Таким образом, теоретическое обоснование и разработка принципов подбора комбинаций скрещивания, способов преодоления летальности гибридного потомства, оценки гибридизации, генетической изменчивости и комбинационной способности исходных форм на основе использования генетических, биотехнологических и математических методов с целью создания и использования исходного материала для селекции винограда является важной и актуальной в научном и практическом аспектах проблемой.
Связь работы с научными программами, планами, темами. Выбранное направление исследований связано со следующими научно-исследовательскими работами ішститута "Магарач" НААН: "Создать селекционный фонд и генетическую коллекцию винограда для развития частной генетики и для использования в селекционном процессе" (номер государственной регистрации UAO1003467P, 1992-1995 гг.); "Усовершенствовать методы идентификации генотипов винограда по фенотипам, разработать методики анализа фенофонда на устойчивость к экстремальным проявлениям абиотических факторов" (номер государственной регистрации UAO1003469P, 1992-1995 гг.); "Разработать научные основы селекции винограда на основе прикладной генетики и функциональной ампелографии, разработать модифицированную технологию селекционного процесса и создать принципиально новый исходный материал винограда с комплексной устойчивостью к болезням и вредителям" (номер государственной
регистрации UAO1003493P, 1992-1995 гг.); "Разработать генетические и физиолого-биохимические основы гетерозиса, в том числе адаптивного, у винограда" (номер государственной регистрации UAO1003470P, 1994-1995 гг.); "Исследовать генетические основы изменчивости агробиологических признаков винограда в гибридном потомстве" (номер государственной регистрации 0196U010351, 1996-2000 гг.); "Формирование и ведение Национального банка генетических ресурсов растений Украины для использования в селекции высокопродуктивных сортов и гибридов сельскохозяйственных культур — виноград" (номер государственной регистрации 0196U010352, 1996-2000 гг.); "Разработать генетические основы создания межвидовых сортов винограда при участии источников ценных признаков с низкой фертильностью" (номер государственной регистрации 0101U006723, 2001-2005 гг.); "Разработать методологические основы создания стабильных в условиях степного Крыма сортов винограда (морозо-, милдью-, филлоксероустойчивых)" (номер государственной регистрации 010Ш006726, 2001-2005 гг.); "Расширение генетического разнообразия и повышение жизнеспособности генеративного потомства с помощью биотехнологических методов в селекции винограда" (номер государственной регистрации 0106U004435, 2006-2010 гг.); "Создать новый технический сорт винограда, адаптированный к условиям степного Крыма" (номер государственной регистрации 0106U004441, 2006-2010 гг.); "Внедрить производство оздоровленного посадочного материала перспективных сортов винограда" (номер государственной регистрации 0106U008323, 2006 г.); "Разработка технологии производства оздоровленного клонового посадочного материала винограда" (номер государственной регистрации 0107U006464, 2007 г.); "Разработка усовершенствованной технологии производства посадочного материала винограда с использованием биотехнологических методов для создания сертифицированных маточников и разработка молекулярно-генетических паспортов (кодов)" (номер государственной регистрации 0108U005618, 2008 г.); "Усовершенствование технологии производства сертифицированных саженцев винограда с использованием биотехнологических методов" (номер государственной регистрации 0109U003508, 2009 г.); "Разработать научные основы оптимизации условий получения, культивирования и сохранения растений винограда с использованием биотехнологических методов" (номер государственной регистрации 011Ш004111, 2011-2015 гг.); "Оптимизация биотехнологии оздоровления посадочного материала и ускоренного размножения перспективных сортов винограда" (номер государственной регистрации 0111U009837, 2011 г.); "Разработка биотехнологических схем производства исходного посадочного материала винограда для закладки базовых маточных насаждений" (номер государственной регистрации 0112U007092,2012 г.).
Автором лично разработаны технические задания и рабочие программы научно-исследовательских работ, составлено обоснование выполнения исследований, осуществлено научное руководство и исполнение заданий, проведено обобщение полученных результатов, сформулированы научные выводы и рекомендации производству.
Цель и задачи исследований. Цель работы — научно обосновать создание перспективного исходного материала для селекции винограда, позволяющего выводить новые высокопродуктивные сорта.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи исследования:
— оценить источники хозяйственно ценных признаков винограда в генофонде
степных экспериментальных участков института "Магарач" и разработать
селекционно-генетические базы данных;
— определить скрещиваемость исходных форм и результативность
гибридизации винограда в степном Крыму;
— оценить особенности развития гибридного потомства винограда на основе
результатов многолетнего эксперимента по изучению онтогенеза растений;
разработать подходы к преодолению летальности гибридных растений винограда на основе исследований особенностей развития растений;
разработать методические рекомендации по генетике винограда на основе обобщения теоретических положений и результатов проведенных экспериментальных исследований;
установить характер наследования в гибридном потомстве вішограда и генотипы исходных форм по признакам листа, побега, цветка, грозди и ягоды;
определить наследуемость количественных признаков продуктивности винограда, оценить эффекты комбинационной способности исходных форм и выделить доноры хозяйственно пенных признаков;
установить результативность отбора гибридов в генофонде винограда степных экспериментальных участков института "Магарач";
— выделить в созданпом исходном селекционном материале новые
высокопродуктивные сорта винограда;
определить перспективность возделывания в степном Крым>' современных сортов вішограда на основе их испытания в провокационных условиях и многолетних данных о почвенно-климатических ресурсах зоны исследования;
определить родство между новыми сортами селекции института "Магарач" и их предками - видами американского и амурского винограда на основе сведений о происхождении;
оптимизировать условия культивирования растений винограда in vitro для использования в селекции и в производстве исходного посадочного материала.
Объектом исследования является выведение новых высокопродуктивных сортов винограда.
Предмет исследования - источники и доноры полезных признаков, изменчивость созданного селекционного материала вішограда.
Методы исследования - принятые в виноградарстве типичные методики проведения селекционного процесса, а также специальные биотехнологические методы, методы генетического анализа, математического моделирования, статистической обработки экспериментальных данных, вьшолненные с использованием современных приборов и компьютерных технологий.
Научная новизна полученных результатов. Получила дальнейшее развитие оценка генофонда винограда степных экспериментальных участков института "Магарач", по результатам которой выделено 78 источников хозяйственно ценных свойств. Разработаны база данных комбинаций скрещиваний "КРОСС" и база данных наследования признаков "КАТАЛОГ", усовершенствована база данных исходных и выделенных форм "СЕЛЕКЦИЯ - СТЕПЬ".
Впервые для винограда на основе разработанных математических моделей установлены параметры, оптимальные для гибридизации. Более всего риск потери ценного генотипа зависит от количества комбинаций скрещивания и менее всего — от вероятности хороших генотипов в гибридных популяциях.
Раскрытие особенностей прорастания семян и развития растений винограда в культуре in vitro позволило преодолеть летальность и получить жизнеспособное потомство при стеноспермокаршш, партенокарпии и стимулятивном апомиксисе. Впервые установлена дифференциация исходных форм винограда по экспрессии в условиях in vitro. Изучение хромосом в клетках меристематической ткани выявило миксоплоидные формы среди экспериментальных растений, полученных из полиэмбриоидов.
Углублены сведения в отношении всхожести семян винограда и установлено, что аналитические показатели и динамика прорастания семян в основном зависят от специфики комбинаций скрещивания. По разработанным впервые математическим моделям, которые описывают детерминацию выживания сеянцев винограда, установлена дифференциация популяций по жизнеспособности. По разработанной впервые математической модели, описывающей взаимосвязь между компонентами адаптивности в жизненном цикле растений экспериментальных популяций винограда, установлено, что связь выживаемости и продуктивности является достоверной и существенной.
Усовершенствована классификация редких морф у ювенилышх растений рода Vitis (Tournef.) Linn, и составлены описания 24 морф, принадлежащих к 7 признакам. Впервые обнаружены отличия экспериментальных популяций винограда на ювенильном этапе развития по разнообразию и установлена специфичность участия исходных форм в появлении 16 редких морф 5 признаков. По разработанной впервые математической модели, которая описывает взаимосвязь между прорастанием семян и разнообразием популяций винограда, установлена тесная связь между этими явлениями.
Углублены сведения в отношении наследования 14 качественных признаков винограда, при этом установлено, что большинство признаков наследуется по принципу неаллельного взаимодействия генов (эпистаз, комплементарность и полимерия). Впервые установлены генотипические формулы 50 сортов и гибридов винограда по признакам побега, листа, цветка, грозди, ягоды и 25 сортообразцов -по жизнеспособности семян.
Впервые получены результаты, свидетельствующие о том, что величина всего генетического разнообразия имеет высокие значения для большинства признаков продуктивности у винограда, в изменчивости 14 исследованных признаков определяющую роль играют аллельные доминантные взаимодействия.
На основе усовершенствованного анализа комбинационной способности в системе неполных топкроссов впервые получены результаты, свидетельствующие о том, что влияние специфической комбігаационной способности (СКС) исходных форм на изменчивость большинства признаков продуктивности винограда является достоверным на высоком уровне, влияние общей комбинационной способности (ОКС) значительно ниже. Получила дальнейшее развитие концепция доноров, по результатам исследоваїшя гибридного потомства выделено 24 исходные формы -доноры ценных свойств винограда.
Впервые научно обоснована и установлена дифференциация 17 исходных форм винограда по фертильности и 39 исходных форм по эффективности опыления и гибридизации. Получены результаты исследования спектра исходных форм для гибридизации винограда в степном Крыму за 20-летний период.
Впервые определено родство между современными сортами винограда и дикими видами. Полученные результаты свидетельствуют о том, что корреляция между генотипами 17 новых сортов селекции института "Магарач" и их предками -видами американского и амурского винограда незначительна.
Впервые исследована результативность отбора, проводенного на степных экспериментальных участках института "Магарач". По многолетним данным выделено 75 перспективных гибридных форм широкого спектра использования и проведена оценка адаптивности и перспективности 29 сортов винограда.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечена использованием современных методов исследования, статистических методов обработки экспериментальных данных, средств вычислительной техники и подтверждается адекватностью результатов, полученных в полевых и лабораторных условиях, а также во время производственных испытаний новых созданных сортов винограда.
Практическое значение полученных результатов. Полученные новые научные положения в отношении комбинационной способности, наследования качественных и количественных признаков, риска потери ценного генотипа и выделения опылителей, использование которых способствует проявлению высокой степени перекрестного опыления, углубляют теоретические основы гибридизации и обосновывают целенаправленный подбор исходных форм в практической селекции винограда.
Разработаны селекционно-генетические базы данных "СЕЛЕКЦИЯ - СТЕПЬ", "КРОСС" и "КАТАЛОГ", которые могут использоваться для подбора исходных форм и отбора перспективных гибридов.
Разработанный способ получения растений винограда от исходных форм с низкой фертильностью позволяет преодолевать летальность гибридного потомства.
Разработаны методические рекомендации по количественной генетике винограда, материалы которых используются в учебном процессе КНУ им. Т. Шевченко, а также могут быть использованы для решения проблем селекции винограда и других многолетних растений.
Выделен ряд перспективных гибридов и проведена оценка новых сортов широкого спектра использования, что свидетельствует об успешном использовании оптимальных процедур гибридизации и отбора в генофонде винограда.
Теоретические обобщения, экспериментальные исследования и аналитические расчеты стали научной основой для усовершенствования существующих и разработки новых способов создания исходного материала для селекции винограда, позволивших получить новые сорта, которые прошли сортоиспытание и внедрены во многих хозяйствах. Научное обоснование гибридизации и отбора, обобщение результатов проведенных экспериментальных исследований позволили создать 12 новых сортов винограда: Альминский, Ассоль, Геркулес, Гранатовый Магарача, Интервитис Магарача, Красень, Крымчанин, Памяти Голодриги, Пивденнобережный, Ркацители Магарача, Цитронный Магарача и Ялтинский бессемянный.
В селекции предлагается использовать генетически более детерминированный признак, чем продуктивность побега по массе сахара гроздей — удельную хозяйственную продуктивность.
Результаты изучения изменчивости хозяйственно ценных признаков винограда и определение генотипов сортообразцов могут быть использованы для апробации насаждений, уточнения происхождения и прогноза поведения сортов в различных условиях возделывания.
Результаты анализа многолетних сведений о природно-климатических особенностях зоны исследования и адаптационной способности новых сортов могут быть использованы для подбора перспективного сортимента винограда в степном Крыму.
Для микроклонального размножения, оздоровления и адаптации растений винограда к условиям in vivo разработан комплекс режимов культивирования в климатической камере, который может быть использован в селекции и производстве оздоровленного посадочного материала при закладке чистосортных насаждений.
Личный вклад соискателя. Автором лично проведен теоретический анализ современного состояния исследований по выведению нових сортов винограда, обоснованы теоретические концепции создания исходного материала для селекции винограда, определены направления и выбраны методики исследований, разработаны методические рекомендации по генетике винограда, организованы и проведены исследования, осуществлена математическая обработка экспериментальных данных и обобщение полученных результатов, подготовлены и опубликованы результаты теоретических и экспериментальных исследований.
Обсуждение результатов генетических исследований винограда проведено совместно с д.б.н., проф., чл.-корр. НААН Украины, академиком НАН Армении Мелконяном М.В. и д.б.н., проф., академиком АЕН Российской Федерации Трошиным Л.П. Ряд исследований по совершенствованию методологических основ селекции и наследованию признаков, а также гибридизация, отбор перспективных гибридов и подготовка материалов при выведении новых сортов винограда проведены совместно с Д.С-Х.Н. Волынкиным В.А. и к.с.-х.н. Олейниковым Н.П. Эксперименты по преодолению летальности гибридного потомства и разработке
технологии получения исходного посадочного материала винограда выполнены в соавторстве с к.б.н. Павловой И.А.
Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертационной работы докладывались на ученом совете НИВиВ "Магарач" НААН; координационно-методических совещаниях по вопросам виноградарства в Национальном научном центре "ИВиВ им. В.Е.Таирова" НААН; координационно-методических совещаниях по вопросам генетических ресурсов в Институте растениеводства им. В.Я.Юрьева НААН; координационно-методических совещаниях по вопросам сельскохозяйственной биотехнологии в Южном биотехнологическом центре в растениеводстве НААН; международном симпозиуме "Управление генетической изменчивостью сельскохозяйственных растений" (Ялта, 1992 г.); VI международном симпозиуме по селекции винограда (Ялта, 1994 г.); международном симпозиуме "Методологические основы формирования, ведения и использования коллекций генетических ресурсов растений" (Харьков, 1996 г.); международной конференции "Молекулярно-генетические маркеры растений" (Ялта, 1996 г.); II международной научно-практической конференции "Качество, безопасность и экология пищевых продуктов и производств. Прогресс в агроиндустрии" (Ялта, 2001 г.); международной научно-практической конференции "Иммунитет и фитосанитарная селекция в системе интегрированной защиты виноградных насаждений" (Кишинев, 2001 г.); международном симпозиуме "Биотехнологические подходы к использованию и сохранению ресурсов растений" (Ялта, 2002 г.); международной конференции "Адаптивная селекция растений. Теория и практика" (Харьков, 2002 г.); IV международной конференции "Геном растений" (Одесса, 2003 г.); международном научном симпозиуме "Современные технолопш селекционного процесса сельскохозяйственных культур" (Харьков, 2004 г.); 8-м совещании секции генетических ресурсов EUCA&PIA "Генетические ресурсы растений и их использование в селекции растений для пищевых продуктов и сельского хозяйства" (Пештяны, 2007 г.); международной научно-практической конференции "Перспективы развития виноградарства и виноделия в странах СНГ" (Ялта, 2008 г.); международной научной конференции "Актуальные проблемы прикладной генетики, селекции и биотехнологии растений" (Ялта, 2009 г.); международной научной конференции "Современная биотехнология сельскохозяйственных растений и биобезопасность" (Одесса, 2010 г.); международной научно-практической конференции "Генетические основы селекции, семеноводства и биотехнологий: наука, образование, практика" (Киев, 2012 г.); 3-ей международной научно-практической конференции "Теория и практика технологий выращивания и оздоровления семян и посадочного материала, конкурентоспособных в условиях европейского рынка" (Киев, 2012 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 105 печатных работ, в том числе 2 брошюры, 39 статей в специализированных научных изданиях, 22 статьи в других научных изданиях, 13 авторских свидетельств, 14 патентов, 15 тезисов докладов на научных конференциях; 11 публикаций в иностранных изданиях и 17 публикаций в изданиях, включенных в международные наукометрические базы данных.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, выводов, рекомендаций по научному и практическому использованию полученных результатов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 402 страницах, содержит 69 таблиц, 38 рисунков и 12 приложений. Список использованных литературных источников включает 394 наименования, в том числе 180 — иностранных.
