Содержание к диссертации
Введение
1. Сбор и сохранение генетических ресурсов льна 13
1.1 Сбор генетического разнообразия рода Linum 20
1.2 Сохранение мирового генофонда льна 31
1.2.1 Сохранение образцов коллекции льна в живом виде 32
1.2.2 Условия хранения (длительное, краткосрочное) семенного материала генофонда льна 34
1.2.3 Влияние длительного хранения семян образцов коллекции льна-долгунца на хозяйственно ценные признаки 37
1.2.4 Создание коллекции образцов волокна льна-долгунца 40
1.2.5 Создание информационно - поисковой базы данных по генофонду 42 льна
2. Адаптация льна к различным агроклиматическим условиям среды 49
2.1 Изменчивость признаков продуктивности у различных сортов льна-долгунца в зависимости от зоны возделывания 55
2.2 Поиск сортов - стандартов по хозяйственно полезным признакам 63
2.3 Реакция генотипов льна на изменение нормы высева семян 74
2.4 Реакция генотипов льна на изменение условий внешней среды 79
2.5 Устойчивость льна к полеганию 86
3. Устойчивость льна к неблагоприятным эдафическим факторам 89
3.1 Реакция генотипов льна-долгунца на изменение кислотности почвы 89
3.2 Толерантность льна к другим эдафическим стрессам 92
4. Генетические основы селекции льна-долгунца на устойчивость к грибным болезням 97
4.1 Генетический контроль устойчивости льна к ржавчине 100
4.1.1 Поиск в мировой коллекции льна источников эффективных генов устойчивости к ржавчине 103
4.1.2 Генетический анализ устойчивости к ржавчине у высокопродуктивных 104
линий льна-долгунца
4.2 Генетический контроль устойчивости льна к фузариозному увяданию 111
4.2.1 Поиск источников эффективных генов устойчивости к фузариозному увяданию 113
4.2.2 Генетический анализ устойчивости к фузариозному увяданию у высокопродуктивных линий льна-долгунца 114
4.2.3 Идентификация генов устойчивости к фузариозному увяданию у образцов коллекции льна 121
4.2.4 Создание доноров устойчивости льна-долгунца к фузариозному увяданию 127
4.3. Источники комплексной устойчивости к основным болезням льна 131
5. Мировой генофонд рода linum как источник исходного материала для современных и новых направлений в селекции 137
5.1 Исследование генетического полиморфизма вида L. usitatissimum с использованием RAPD - метода 139
5.2 Поиск источников хозяйственно ценных признаков льна-долгунца 148
5.2.1 Раннеспелость 149
5.2.2 Качество волокна 151
5.2.3 Продуктивность волокна 156
5.2.4 Продуктивность семян 158
5.3 Поиск и создание форм масличного льна, адаптированных к условиям Северо-Западного региона России 163
5.4 Развитие новых направлений использования льна 167
5.4.1 Новые подходы к использованию биологического потенциала культуры 168
5.4.2 Лен как рекультиватор земель 172
5.4.3 Семя льна как сырье для различных отраслей промышленности 178
5.4.4 Лен как декоративная культура 187
5.4.5 Использование генов - маркеров в селекционном процессе 190
6. Выводы 197
7. Практические рекомендации 200
Список литературы
- Сбор генетического разнообразия рода Linum
- Изменчивость признаков продуктивности у различных сортов льна-долгунца в зависимости от зоны возделывания
- Поиск в мировой коллекции льна источников эффективных генов устойчивости к ржавчине
- Исследование генетического полиморфизма вида L. usitatissimum с использованием RAPD - метода
Введение к работе
Лен-долгунец - исконно русская сельскохозяйственная культура, которая является важнейшим источником отечественного высококачественного растительного сырья, необходимого для изготовления престижной экологически чистой продукции, пользующейся большим спросом на внутреннем и внешнем рынках. Вместе с тем следует отметить, что это одна из наиболее трудоемких культур сельскохозяйственного производства. В последние десятилетия на фоне сокращения посевных площадей льна-долгунца отмечается снижение урожайности волокна и ухудшение его качества. Поэтому возрождение лидирующих позиций российского льноводства на международном и отечественном рынках натурального сырья - одна из основных задач сельскохозяйственной науки России. Перспективным направлением решения этой проблемы является комплексное использование биологического потенциала культуры (Жученко мл., 1994).
Многие современные отечественные сорта льна-долгунца характеризуются высокой потенциальной урожайностью волокна (20-25 ц/га) и содержанием его в стебле (28-30 %), однако в недостаточной степени решены вопросы раннеспелости, семенной продуктивности, качества волокна, устойчивости к полеганию (Павлова и др., 1999; Крепкое, 2000; Тихвинский и др., 2002). Следует отметить, что реализация биологических возможностей современных сортов льна-долгунца в производственных условиях составляет в лучшем случае 30-35 %, что обусловлено в значительной степени влиянием неблагоприятных факторов среды (Александрова, 1994). Дефицит источников устойчивости к основным лимитирующим урожай и качество льнопродукции факторам (засуха, высокая и низкая рН почвы, недостаток цинка и пр.) сдерживают развитие селекционной работы в этом направлении. К примеру, несмотря на то, что в Нечерноземной зоне России доля пашни с низким содержанием цинка составляет почти 50% (Тихомирова, 1997), а лен характеризуется высокой чувствительностью к недостатку этого элемента (Ягодин и др. 1987; Сорокина, 1996), генетическое разнообразие вида L. usitatissimum по устойчивости к дефициту цинка в услови ях нашей страны ранее не исследовалось.
В настоящее время в производстве возделываются преимущественно устойчивые и среднеустойчивые к фузариозному увяданию и ржавчине сорта льна-долгунца, однако из-за существенной генетической однородности сортового материала это направление остается актуальным. Генетический контроль устойчивости льна к фузариозному увяданию - наиболее вредоносному заболе ванию культуры, известному еще с конца 19-го века, изучен слабо (Стам, 1973; Misra, Kamthau, 1980; Сорочинская, Галкин, 1981; Евминов, Дынник, 1982; Pavelek, 1983; Goray et. al., 1987 и др.). До наших исследований у льна было идентифицировано всего три гена устойчивости, селекционная ценность которых в условиях России не определялась (Knowles et. al., 1955, 1956). Генетика устойчивости льна к ржавчине, напротив, изучена достаточно полно (Flor, 1946; Flor et. al., 1972; Singh et. al., 1981; Кутузова, 1993 и др.). На сегодняшний день имеется достаточно большой запас эффективных в условиях нашей страны генов устойчивости (Кутузова, 1994). В то же время большинство источников эффективных генов обладает рядом отрицательных свойств, что затрудняет ис пользование их в селекции льна-долгунца.
Учитывая, что лен является культурой многоцелевого назначения, важная роль в повышении рентабельности отрасли принадлежит созданию сортов разнонаправленного использования. Например, создание сорта льна Linola (Канада) с низким содержанием в масле линоленовой кислоты - до 3 % (в норме 55-60 %) для пищевого использования позволило обеспечить существенный эко номический эффект за счет значительного увеличения периода хранения масла. Таким образом, для развития новых направлений использования льна необходимы источники «нетрадиционных» - ранее не селектируемых признаков и их комплексов: определенный биохимический состав семени, разный уровень поглощения тяжелых металлов, одновременность созревания волокна и семян, ус- тоичивость к отрицательным температурам и т. д.
Решение обозначенных проблем невозможно без широкого вовлечения в селекционный процесс мирового разнообразия льна. Для повышения эффективности его использования в селекции необходимо знание генетики важнейших признаков культуры. Особый интерес представляют образцы масличного льна, отличающиеся широким полиморфизмом и обладающие рядом ценных свойств, отсутствующих у долгунцов. Комплексное использование новых источников, выделенных из мировой коллекции льна, будет способствовать стабилизации и дальнейшему росту урожая и качества льнопродукции, расширению сфер применения льносырья и ареала возделывания культуры, включая северные зоны нестабильного земледелия России.
Цель исследований:
Мобилизация, сохранение и изучение мирового генофонда льна для обеспечения комплексного использования генетического потенциала культуры. Задачи исследований:
• обеспечить мобилизацию мирового разнообразия льна для решения приоритетных задач селекции;
• разработать технологию сохранения генетического разнообразия рода Ыпит в Центральном районе Нечерноземной зоны товарного производства льна-долгунца России;
• провести анализ филогенетических связей между различными ботаническими и эколого-географическими группами вида L. usitatissimum с использованием RAPD - метода;
• выделить из коллекции льна источники признаков для традиционных (раннеспелость, продуктивность, качество волокна, устойчивость к биотическим и абиотическим факторам) и нетрадиционных направлений селекции (определенное соотношение ненасыщенных жирных кислот, высокий и низкий уровень поглощения тяжелых металлов и др.), что обеспечит развитие в России новых прогрессивных технологий использования культуры;
• оценить изменчивость признаков продуктивности льна-долгунца в зависимости от агроклиматических условий и выявить сорта, которые могут быть рекомендованы в качестве стандартов;
• провести поиск эффективных генов устойчивости льна к ржавчине и фуза-риозному увяданию и осуществить их идентификацию;
• выявить и создать высокопродуктивные доноры устойчивости льна-долгунца к ржавчине и фузариозному увяданию;
• выявить и создать высокопродуктивные формы масличного льна, адаптированные к условиям Северо-Западного региона России.
Научная новизна работы. Впервые экспериментально установлено, что образцы льна-долгунца, семена которых хранятся длительное время без пересева (более 30 лет) при благоприятных условиях (t +4 °С, всхожесть свыше 95 %), характеризуются более низким качеством волокна, чем периодически пересеваемые.
В результате комплексной оценки мирового генофонда льна в условиях Центрального района Нечерноземной зоны РФ выявлены источники признаков для традиционных и новых направлений селекции. Изучение мирового генофонда масличного льна в «долгунцовой» зоне России проведено впервые, что позволило не только выявить ценный исходный материал для селекции, но и создать высокопродуктивные сорта масличного льна, пригодные для возделывания в условиях Северо-Западного региона страны.
Нами впервые организована широкая сеть комплексной агроэкологической оценки генофонда льна в основных льносеющих странах мира (Россия, Франция, Чехия, Беларусь, Румыния, Канада) с использованием национальных и международных стандартов. Это позволило выявить образцы льна, устойчивые к различным неблагоприятным факторам среды в определенные фенологические фазы роста и развития растений, а также сочетающие высокую продуктивность и широкий адаптивный потенциал.
Впервые у льна идентифицировано шесть новых эффективных в условиях России генов устойчивости к фузариозному увяданию. Создано на их основе и выявлено в коллекции 13 высокопродуктивных доноров, два из которых обладают эффективной устойчивостью к ржавчине. Кроме того, создано 6 высокопродуктивных доноров устойчивости к ржавчине.
Впервые исследованы филогенетические связи между различными ботаническими и эколого-географическими группами вида L. usitatissimum с использованием RAPD - метода.
Впервые проведена дифференциация образцов коллекции вида L. usitatissimum по устойчивости к эдафическим факторам, вызывающим на известкованных почвах проявление «физиологического угнетения» льна (дефицит цинка, избыток кальция и др.).
Теоретическая и практическая ценность работы заключается в создании генетической и ресурсной базы в центральной зоне льноводства России для обеспечения комплексного использования биологического потенциала культуры при решении приоритетных задач селекции.
В условиях Центрального района Нечерноземной зоны товарного производства прядильного льна РФ разработана технология, позволяющая обеспечить надежную сохранность мирового разнообразия генетических ресурсов рода Linum. Паспортная характеристика образцов «Национальной коллекции русского льна», созданной при ВНИИЛ, представлена в Международной базе данных по льну при ФАО ООН (International flax database, 1994). Установлена необходимость периодического пересева образцов льна-долгунца в наиболее типичных условиях, что важно учитывать при разработке стратегии сохранения генофонда культуры.
В результате многолетней оценки образцов мирового генофонда вида L. usitatissimum с использованием естественных и анализирующих фонов (разные сроки сева и нормы высева и др.) выявлены источники важнейших хозяйственно ценных признаков льна-долгунца - раннеспелость, продуктивность волокна и семян, выход и качество волокна (разрывная нагрузка, гибкость, метрический номер, ОРНр и др.), устойчивость к абиотическим и биотическим факторам среды для различных зон выращивания. На основании эколого-географических испытаний в различных льносеющих регионах мира выделены генотипы, сочетающие высокую продуктивность и широкий адаптивный потенциал, а также предложены сорта-стандарты по отдельным хозяйственно ценным и морфологическим признакам для селекционеров России и международной базы данных по льну (по линии FAO Flax Network).
Создана признаковая коллекция по основным морфологическим характеристикам цветка и семени для получения сортов льна с «маркерными» признаками, что необходимо для повышения эффективности селекционной и семеноводческой работы, а также защиты интеллектуальной собственности селекцио нера. Выявлены источники для развития новых направлений селекции, отличающиеся повышенной поглощающей способностью тяжелых металлов (Си, Fe, РЪ и др.) для рекультивационных целей и низкой - для медицинского использования, определенным соотношением ненасыщенных жирных кислот для химической, медицинской и других отраслей промышленности. Выявлены и созданы высокопродуктивные формы масличного льна, пригодные для возделывания в условиях Северо-Западного региона России, что позволяет существенно расширить ареал возделывания культуры и удовлетворить стремительно растущий в стране спрос на льняное масло. Впервые интродуцированы в Центральном районе Нечерноземной зоны РФ дикие виды льна (L. hirsutum, L. tauricum, L. campanilatum и др.), обладающие целым рядом хозяйственно цен ных признаков и пригодные для озеленения городов и приусадебных участков.
Идентифицировано шесть ранее неизвестных эффективных генов устойчивости к Fusarium oxysporumf. lini Bolley; созданы доноры льна-долгунца, обладающие различными доминантными эффективными генами устойчивости к фу-зариозному увяданию и характеризующиеся высокой продуктивностью; полу-чены новые высокопродуктивные доноры устойчивости льна-долгунца к ржавчине с эффективными R-генами к различным популяциям Melampsora Uni (Pers.) Lev., имеющимся на территории России.
Установленные нами различия в реакции коллекционных образцов на эда-фические факторы, вызывающие «физиологическое угнетение» растений льна на известкованных почвах, свидетельствуют, что для повышения эффективности использования агрохимических приемов, направленных на предупреждение его проявления, следует учитывать также сортовые особенности культуры.
Классификация образцов мировой коллекции льна (287 генотипов) по сте пени их генетического родства, проведенная с использованием RAPD - метода, будет способствовать расширению генетической основы создаваемых сортов. Полученные RAPD-спектры на современные отечественные сорта льна-долгунца позволяют более объективно, по сравнению с существующими мето дами, осуществлять контроль за соблюдением авторских прав селекционера.
Реализация результатов исследований. Выделенные и созданные в результате комплексного изучения мирового генофонда льна источники селекционно-ценных признаков и доноры устойчивости к болезням (11 доноров к фузариозному увяданию; 6 - к ржавчине; 2 - к фузариозному увяданию и ржавчине) переданы в селекционные учреждения для использования в селекционном про цессе. Результаты изучения и каталог «Национальной коллекции русского льна» представлены нами в монографии «Мобилизация генетических ресурсов льна» (2000). С нашим участием создан сорт льна-долгунца Алексим, характеризующийся высокой устойчивостью к фузариозному увяданию и ржавчине, внесенный в Государственный реестр селекционных достижений Российской Федерации в 1993 г. (патент № 0206). Нами создано пять высокопродуктивных сортов масличного льна, адаптированных к условиям Северо-Западного региона России, на четыре из которых получены патенты (№ 0906, № 0907, № 0908, № 1469). Созданная нами информационно-поисковая компьютерная база данных используется при работе с коллекцией льна. Паспортная характеристика образцов «Национальной коллекции русского льна» включена в международ ную и российскую базы данных по льну. Положения, выносимые на защиту:
• в Центральном районе Нечерноземной зоны товарного производства льна-долгунца РФ создана генетическая и ресурсная база, позволяющая обеспечить комплексное использование генофонда льна в традиционных и новых направлениях селекции;
• устойчивость льна к фузариозному увяданию у исследованных линий детерминируется преимущественно одним или двумя доминантными генами; идентифицировано 6 новых высокоэффективных генов (Fu 4 - Fu 9), с использованием которых созданы высокопродуктивные доноры устойчивости к этому заболеванию. Высокопродуктивные доноры устойчивости к ржавчине Г-4496, Г-5062, Г-4918, Г-4210, Г-3979, Г-3996, Г-4254, ГДС 3 обладают одним или двумя эффективными в условиях России генами;
• для селекционеров России и создания международной базы данных предложены сорта-стандарты по основным хозяйственно ценным признакам, что обеспечит выявление в коллекции образцов, сочетающих высокую продуктивность и широкий адаптивный потенциал; созданы высокопродуктивные сорта масличного льна, пригодные для возделывания в условиях Северо-Западного региона России;
• выявленные в мировой коллекции льна существенные генотипические различия по соотношению жирных кислот в масле, накоплению тяжелых металлов в растениях (стебель, семя), позволяют развивать новые направления в селекции.
Апробация работы и публикация результатов исследований. Основные положения работы были доложены: на международном съезде по защите растений (г. Пушкин, 1995); на международном семинаре по фузариозу (г. Мартина Франка, Италия, 1995); на XIV Международном конгрессе EUCARPIA по селекции растений на адаптивность (г. Яваскила, Финляндия, 1995); на IV совещании Европейской рабочей группы по льну при ФАО (Руан, Франция, 1996); на международном симпозиуме ФАО по льну (г. Познань, Польша, 1997); на международном совещании Европейской рабочей группы по льну и другим лубяным культурам (г. С.-Петербург, 1998); на семинаре по генетическим ресурсам (г. Саскатун, Канада, 1999); на международной научно-практической конференции (г. Торжок, 2000); на международном симпозиуме «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования» (г. Пущино, 2001); на международной научно-практической конференции «Генетические ресурсы куль- турных растений» (г. С.-Петербург, 2001); на координационном совещании «Проблемы и перспективы льноводства» (2002) и Всероссийской научной школе молодых селекционеров по льну-долгунцу (г. Торжок, 2004).
По материалам исследований опубликовано 68 печатных работ, изданных в России и за рубежом, в том числе 1 монография, 1 авторское свидетельство и 6 патентов на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, практических рекомендаций, списка литературы и приложений. Текст изложен на 263 страницах, включая 54 таблицы и 26 рисунков. Список цитируемой литературы содержит 440 наименований, в том числе 188 на иностран ных языках.
Автору принадлежит основная роль в получении экспериментального материала, его обобщении и трактовке. В работах, выполненных в соавторстве, соискатель участвовал на всех этапах исследования от постановки задачи и эксперимента, до обсуждения и оформления результатов. Автор искренне бла годарен за постоянные советы в процессе выполнения работы и при оформлении диссертации доктору биологических наук А. А. Жученко. Соискатель считает своим долгом выразить глубокую благодарность за оказанную помощь и поддержку в работе специалистам ВНИИ льна, ВИР, Саскатунского научного центра (Канада), НПО «Агритек» (Чехия), фирмы «Фонтен Кани» (Франция), Института генетики и цитологии (Беларусь), Института зерновых и техниче ских культур (Румыния), а именно: доктору сельскохозяйственных наук, про фессору А. Р. Рогаш; доктору биологических наук С. Н. Кутузовой; академику Л. В. Хотылевой; докторам наук A. Diederichsen, V. Pavelek, J. - P. Trouve, F. Popescu; кандидатам сельскохозяйственных наук H. И. Лошаковой, Л. Н. Кур-чаковой, Л. П. Кудрявцевой; кандидатам биологических наук И. В. Ущапов-скому, Т. В. Крыловой; старшему научному сортруднику Т. С. Киселевой; главному специалисту В. А. Баскакову и другим коллегам, чье участие в работе отражено в совместных публикациях.
Сбор генетического разнообразия рода Linum
Лен, по Н. И. Вавилову, представлен в четырех центрах: среднеазиатском, переднеазиатском, средиземноморском и абиссинском. Лен, как и пшеница, яч Ф мень, кукуруза, соя и хлопчатник, относится к группе первых основных древ них возделываемых растений. Е. Н. Синская выделяет три основных первичных очага распространения льна: индийский, индо-афганский и колхидский (рис. 3). Считается, что северные русские долгунцы (континентальные формы) имеют происхождение из индо-афганского очага. Наоборот, западные долгунцы (приморские формы) распространены из колхидского очага. По Е. Н. Синской, влажный «колхидский» климат раньше охватывал значительно больше терри тории. Поэтому, видимо, центры происхождения льна переднеазиатский и средиземноморский можно объединить и назвать колхидским (Синская, 1959). П. М. Жуковский (1971) также считает Индию первичным центором происхождения масличного льна. При этом он не исключает и самостоятельное за Ф кавказское происхождение льна. Долгунцы, по мнению П. М. Жуковского, возникли на северо-западе древней Руси как мутации из популяций, занесенных скифами в период их расселения из гор Средней Азии, а в Западную Европу прядильный лен попал от римлян.
Диким родоначальником культурных льнов считается L. angustifolium (Эл-лади, 1927; Dillman, 1946; Синская, 1959; Жуковский, 1971; Chennaweraiah, 1983). Подтверждением родства этих двух видов является их гомостильность, одинаковое число и морфологическое сходство хромосом. L. angustifolium имеет наиболее крупные среди диких видов семена, по содержанию масла и составу жирных кислот подобные культурному льну (Pavelek, 1983). Исследования микроструктуры семян L. angustifolium и L. usitatissimum показали их полную идентичность, в то время как семена других видов резко отличались от них (Хржановский и др., 1979).
Вопросами классификации культурного льна занимались У. В. Эллади (1927), С. В. Юзепчук (1949), И. А. Сизов (1952), Е. Н. Синская (1959) и др. В настоящее время спектр мнений относительно систематики льна культурного достаточно широк: от признания долгунцов, кудряшей, озимых форм в качестве самостоятельных видов (Юзепчук, 1949) до объединения L. usitatissimum и L. angustifoliuim в один вид (Неег, 1872; Diedrichsen, Hammer, 1995). В работе Keijzer и Metz (1992) высказывается мнение о существовании только двух эко-типов в пределах вида L. usitatissimum - волокнистого и масличного льнов, сформировавшихся в результате длительного окультуривания этого растения. И. А. Сизов (1955) рассматривает эволюцию культурного льна как процесс внутривидовой дифференциации L. usitatissimum на следующие пять разновидностей: долгунцы, межеумки, кудряши, крупносемянные и полуозимые. Классификация И. А. Сизова на сегодняшний день является наиболее признанной селекционерами и практиками льноводства. Н. М. Черноморская и А. К. Станкевич (1987), поддерживая в основном классификацию И. А. Сизова, выделенные им разновидности считают подвидами, поскольку каждая из них занимает вполне определенную часть ареала вида.
А В процессе окультуривания многие растительные виды по мере распро странения в пространстве и во времени за пределы своего первичного центра происхождения образовали вторичные центры разнообразия. Считается, что некоторые вторичные центры обладают большим генетическим разнообразием, чем центры происхождения растений. Это указывает на необходимость создания там представительных коллекций растений (Harlan, 1970; Frankel, 1977). Близость территории России к основным очагам происхождения культур ф ных растений и разнообразие ее агроклиматических зон способствовали воз можности отбора исключительно ценного местного растительного материала по прядильному льну, пшенице, ржи, клеверу, тимофеевке и др. (Вавилов, 1935). Северная культура льна наиболее древней является в России. Геродот говорит о посевах льна на русской равнине в VI веке до нашей эры (ГУЗиЗ, 1912; Тоблер, 1931). По мнению ряда ученых, именно здесь в результате естественно го отбора и непрерывной народной селекции были выведены лучшие долгунцы, ставшие родоначальниками всех долгунцов Европы и Америки (Hjelmguist, 1950; Сизов, 1952; Helbaek, 1959).
Изменчивость признаков продуктивности у различных сортов льна-долгунца в зависимости от зоны возделывания
От того, насколько сорт устойчив к тем или иным стрессовым факторам, зависит стабильность получаемых урожаев, качество льнопродукции, а, следовательно, и широта использования его в производстве. Льноводство России до 30-х годов ориентировалось на выращивание в определенных зонах льносея-ния более 100 кряжевых форм льна, обладающих высоким адаптивным потенциалом (см. рис. 4). На сегодняшний день реестр селекционных достижений РФ включает 33 сорта льна-долгунца, допущенных к использованию. С целью оценки адаптивного потенциала различных сортов льна-долгунца (всего 24 сорта) нами проведен анализ изменчивости их продуктивности (солома, семена) в зависимости от зоны выращивания на основании данных государственных сортоиспытательных участков основных льносеющих регионов РФ за период с 1968 по 1999 гг. (прил. 2).
Анализ данных ГСУ свидетельствует, что наиболее стабильными по урожайности соломы из испытываемых за последние 30 лет сортов льна-долгунца являются ВНИИЛ 11, Смоленский и Светоч (cv менее 30 %). Сорта современ іф ной селекции - Дашковский, Кром, Славный 82, обладающие высоким потен циалом по урожаю соломы, оказались наиболее вариабельными по данному признаку (cv 63,9; 45,1; 46,9 % соответственно). В результате чего средняя урожайность соломы у сорта Кром соответствует уровню сорта Светоч, районированному около 70 лет назад, а сорта Дашковский и Славный 82 существенно уступают последнему (табл. 10 , рис. 7).
Дашковский, Белочка достигала от 65 до 73 %.
Наиболее высоким адаптивным потенциалом к различным неблагоприятным условиям среды обладает сорт ВНИИЛ 11. Так, при средней урожайности соломы 60,73 ± 1,65 ц/га и семян 7,65 ± 0,29 ц/га, коэффициент вариации у данного сорта составил: по соломе - 28,6 % и семенам - 40 %. Наиболее вариабельным как по урожайности соломы (cv — 64 %), так семян (cv -73 %) оказался сорт Дашковский.
Проведенный нами анализ агроклиматических условий основных льносею щих зон РФ позволил выявить регионы в наибольшей степени подходящие для реализации биологического потенциала льна-долгунца (табл. 12). Так, макси мальный урожай льносоломы был получен - в Архангельской, Нижегородской и Пермской областях (средняя урожайность - 67,58, 62,44 и 61,59 ц/га соответ & ственно). Наименее благоприятные условия для получения волокнистой про дукции - в Костромской, Кировской и Ярославской областях (средняя урожайность соломы - 38,31, 41,14 и 45,65 ц/га соответственно). Для производителей сельхозпродукции важна не только высокая урожайность, но и ее стабильность. Выявлено, что наиболее благоприятные условия для получения стабильной # урожайности соломы в Архангельской, Томской и Вологодской областях (cv 16,09; 23,21 и 25,22 % соответственно). Напротив, наиболее высокая вариабель ность по данному признаку отмечалась в Костромской, Кировской и Калужской областях (cv - 51,78; 44,81 и 43,96 % соответственно). Проведенный анализ сви детельствует о том, что агроклиматические условия Архангельской, Вологод ской, Псковской, Тверской, Московской, Смоленской, Нижегородской, Перм fr ской, Томской областей, а также Мари Эл и Удмурдской республики в наи большей степени подходят для получения высоких и относительно стабильных урожаев волокнистой льнопродукции.
Для реализации биологических возможностей сорта по продуктивности семян в большей степени подходят условия Московской и Псковской областей, а также Республики Мари Эл (средняя урожайность семян cv - 8,45; 8,34 и 7,32 ц/га, соответственно). Наиболее неблагоприятными в этом отношении являются условия Архангельской, Костромской и Вологодской областей (средняя уро ф жайность семян cv - 4,01; 4,63 и 4,78 ц/га соответственно). В Псковской, Мос ковской и Томской областях отмечается наибольшая стабильность урожайности семян по годам (cv - 35,23; 35,41 и 37,0 соответственно), а в Архангельской, Вологодской и Пермской областях, напротив, имеет место высокая вариабельность по данному показателю (коэффициенты вариации - 83,32; 77,17; 72,92 соответственно). Наиболее благоприятные условия для получения высоких и ф относительно стабильных урожаев семян имеются в Новгородской, Псковской, Тверской, Московской, Томской областях и Республике Мари Эл.
Таким образом, анализ многолетних данных ГСУ основных льносеющих регионов РФ свидетельствует, что условия Псковской, Тверской, Томской, Московской и Республики Мари Эл позволяют получать наиболее высокие и относительно гарантированные урожаи льна-долгунца как по волокну, так и семенам.
Однако даже в пределах области выделяются зоны в большей и меньшей степени подходящие для получения гарантированного урожая льнопродукции. Так, анализ обеспеченности растений льна влагой в период всходов (с 1 по 20 мая) на сортоучастках Северо-Западного региона РФ свидетельствует, что наиболее влагообеспеченным является Бежецкий район, Тверской области (Бежец-кий сортоучасток), где количество дней с оптимальной влагообеспеченностью (ГТК 1-2) составляет 13,64 %, а с избыточным увлажнением 31,82 %. Торопец-кий район, Тверской области (Ленинский сортоучасток) характеризуется более неблагоприятными условиями по влагообеспеченности, где количество дней с недостатком влаги (ГТК 1) составляет 75 %.
В Центральном регионе РФ наибольшей обеспеченностью влагой в период интенсивного роста и развития растений льна-долгунца (фаза «быстрого роста») характеризуются Руднянский район, Калужской области (Руднянский сорто участок) и Ивановский район, Ивановской области (Пучежский сортоучасток) (ГТК 1) (рис. 8). ф Анализ температурного режима воздуха на сортоучастках Тверской и
Псковской областей в период интенсивного роста и развития растений льна (фаза «быстрого роста») показал, что наиболее благоприятные условия складываются на Бежецком сортоучастке, где количество дней в процентном отношении с допустимыми температурами (менее 17,7 С ) составляет 88,9 %.
Поиск в мировой коллекции льна источников эффективных генов устойчивости к ржавчине
Успех селекционной работы на устойчивость к любой болезни зависит, прежде всего, от запаса эффективных генов. Среди известных генов устойчиво сти льна к ржавчине эффективными по отношению к местным популяциям гри ба и наиболее ценными для селекции на устойчивость в нашей стране являются ф аллели N, Ni, Мі, М3, Мь Р4, Рз L4, L6, Lw, К и Q. Источниками устойчивости этих генов могут служить следующие сорта - дифференциаторы: Bombay, Dakota, Kota, Leona, Victory, Kenya, Bolley Golden, Birio, Cass, Clay, Polk - образцы масличного льна, а также линии, выделенные из местных и кряжевых форм льна - долгунца: к-762, л.6-1; к-729, л. 3-1; к-733, л. 4-1; к-744, л.7-1; к-759, # л. 10-1; к-5375 л. 4-1; к-6608 л. 3-1; к-6658, л.3-1; к-7213, л.4-1 (Кутузова, 1994).
Однако прямое использование большинства этих форм в селекции льна долгунца затруднено из-за их низкой продуктивности и позднеспелости.
Изучения мирового генофонда льна, проводимые различными исследовате лями, позволили выявить образцы, устойчивые к ржавчине (Ульянова, 1973; Да .# видян и др., 1975; Рогаш и др. 1985; Купянская и др., 1987; Кутузова и др., 1991;
Александрова и др., 1994; Лошакова и др., 1998, 1999). Однако отсутствие в большинстве случаев информации о природе устойчивости к данному заболеванию существенно снижает эффективность их использования в селекционном процессе.
Нами был продолжен поиск среди образцов мирового разнообразия заро # дышевой плазмы льна источников устойчивости к ржавчине. В результате оценки мировой коллекции льна на жестком инфекционном фоне (степень поражения сорта Полесский 4 - свыше 85%) нами выявлено 108 образцов устойчивых (степень поражения не более 10 %) к «тверской» популяции ржавчины: кк-6264 (Artemida), 6262 (Тост), 6246 (Z 61038/81), 6239 (Daniela), 6205 (ВИР 11), # 5661 (KVZ 5064), 5438 (Прометей 95), 5318 (Г-1781-4-18) и др. -лен-долгунец; ф кк-5618 (№ 3839), 5619 (№ 3850), 5621 (№ 3857), 5625 (№ 3864), 563 (№ 3886), 5637 (№ 3904), 5640 (№ 3861), 5641 (№ 3862), 5591 (№ 3801), 550, 3488 (Colcha-gui), 3008 (№ 232), 3018 (№ 258) и др. - лен масличный (табл. 32; прил. 5, 6). Данные образцы, как правило, гетерогенны либо в слабой степени поражаются ржавчиной. При этом у 49 генотипов (преимущественно линии, созданные во ВНИИЛ и ВНИИМК) симптомы поражения телейтоспорами возбудителя отсутствовали. Это такие образцы, как кк-4582 (Natasja), 5404 (Япония), 459 (Забай # кальская обл.), 5239 (Г-3996), 5241 (Г-5062), 5243 (Г-4918), 5267 (Г-3979), 5268 (Г-4210), 5315 (Г-1555-4-13), 5316 (Г-1781-4-18), 6203 (Г-762-431), 6201 (л. 184), 6205 (ВИР 11) и др. - лен-долгунец; кк-5649 (Linda), 5656 (Michail), 5619 (№ 3850), 5622 (№ 3859), 5624 (№ 3863), 5631 (№ 3886), 5640 (№ 3861) и др. - межеумок. Учитывая, что испытание каждого генотипа проводили на жестком ин # фекционном фоне в течение 3-х лет, то иммунный тип реакции выделившихся линий указывает на вертикальный характер устойчивости их к патогену.
Для рационального использования в селекции льна-долгунца устойчивых ЯР к ржавчине форм наряду со знанием генетического контроля признака важным условием является отсутствие у них отрицательных свойств. Исходя из данного требования, в исследования были включены высокопродуктивные линии, обла дающие высоким уровнем устойчивости к «местной» популяции М. lini, создан ные нами в результате простых и сложных скрещиваний - Г-4210, Г-3979, Г т 3996, Г-4254, Г-4496, Г-3540, Г-4918, Г-5062, а также выделенная из образца
ГДС 3 (Рожмина, 1989). Для определения характера наследования, числа генов устойчивости к ржавчине и их идентификации проведен анализ гибридов Fi и F2 от скрещивания этих линий между собой и с восприимчивыми образцами льна-долгунца - Светоч, Томский 9, Томский 10, 1288/12, Тверца, Тайга, к-371 и 376 # (Московская обл.).
Известно, что расоспецифическая устойчивость, которой обладают растения в возрасте проростков, сохраняется у них в течение всей жизни. Наоборот, восприимчивые растения могут позднее стать более устойчивыми благодаря появлению возрастной устойчивости (Кутузова, 1979; Коновалов, 1994). Реакцию растений на внедрение патогена наиболее полно отражает оценка исходного материала по шкале Флора (1954). Поэтому нами наряду с полевой оценкой на ин-фекционно-провокационном фоне по уредо- и телейтостадии возбудителя применялся лабораторный метод (табл. 25). Селекционные линии, используемвые в качестве источников устойчивости к ржавчине, проявили иммунный тип реакции как на стадии проростков, так и в более поздние фазы развития (исключение: линия Г-3540). Линия Г-3540 поразилась уредоспорами, при этом симптомы болезни в телейтостадию возбудителя отсутствовали, что указывает на возрастной характер устойчивости данной линии. Пораженность исходных форм, используемых в качестве восприимчивого родителя, составляля - 89,8- 100 %. При этом исходные формы различались по степени развития болезни: Тверца, Славный 82, Светоч - среднеустойчивые, а все другие - восприимчивые. Поскольку сорт Тверца является производным от сорта Л 1120, то можно предположить наличие у него горизонтальной устойчивости к ржавчине.
Анализ гибридов Fi от скрещивания устойчивых генотипов льна-долгунца между собой и с восприимчивыми образцами, проводимый на инфекционно-провокационном фоне в фазу ранней желтой спелости по телейтостадии возбудителя, свидетельствует о полном доминировании признака устойчивости к ржавчине. Параллельная оценка гибридов Fj с использованием бензимидазоль-ного метода в условиях климокамеры по уредостадии возбудителя подтвердила наше предположение в отношении возрастной устойчивости линии Г-3540. Так, гибриды Fi от скрещивания линии Г-3540 с восприимчивыми образцами поразились уредоспорами М. Ііпі, в то время как все другие гибриды были устойчивы.
Исследование генетического полиморфизма вида L. usitatissimum с использованием RAPD - метода
Использование молекулярных маркеров - белков и DNK, открывает новые возможности в решении ряда теоретических вопросов филогении растений, а также прикладных задач селекции. Совершенно новые возможности генетического маркирования появляются с привлечением молекулярных признаков, которые положены в основу принципов и методов маркирования генетической системы растений. Поскольку генетические системы разных уровней сложно сти локализованы в конкретных хромосомах, составляющих геномы, то белок или DNK одновременно могут быть маркером соответствующей системы и тем самым отражать структуру генома и специфику генотипа растений в целом (Конарев и др., 1993).
С использованием белковых маркеров успешно решаются такие вопросы, как идентификация и регистрация генетических ресурсов в связи с различными проблемами культурных растений и их дикорастущих сородичей. Для идентификации и регистрации сортов и биотипов многих сельскохозяйственных культур успешно используется электрофорез запасных белков (Конарев и др., 1993).
Однако исследования образцов рода Ыпит (48 генотипов), проведенные нами совместно с профессором И. П. Гаврилюк (ВИР), не позволили выявить различия по спектрам запасных белков между большинством из испытываемых сортов льна, что обусловлено относительно слабой, по сравнению с другими культурами, генетической изменчивостью вида L. usitatissimum (Жученко и др., 1994). В то время как дикие виды льна дали характерные для них спектры.
Изучение других маркирующих признаков позволило выявить достаточно высокий полиморфизм при анализе изоферментной системы у зерновых культур, но их подавляющее большинство обладает крайне нежелательной специфичностью, а также изменчивостью в зависимости от температуры, кислотности среды и других параметров (Конарев, 1998). Изучения изоферментных спектров 6-фосфоглюко-натдегидрагеназы у 52 сортов льна-долгунца, прове денные белорусскими учеными, позволили выявить два типа энзимограмм, обусловленных отсутствием одного или нескольких изоформ ферментов, а у аспарта-таминотрасферазы - три типа энзимограмм (Юренкова и др., 2000). При этом большая часть образцов характеризовалась однородностью, что не позволяет использовать эти изоферменты для внутривидовой и сортовой дифференциации.
Перспективными для исследования полиморфизма с/х культур являются активно разрабатываемые в последние десятилетия методы ДНК-маркеров.
Молекулярное маркирование генетической системы организма основано на использовании биологической специфичности нуклеиновых кислот, первичной структуры внутриклеточных молекул. Среди путей использования этого приема в генетическом маркировании распространение получил анализ полиморфизма длины реструктивных фрагментов ДНК-RELP - маркеры, анализ полиморфиз ма случайно амплифицированных ДНК-RAPD - маркеры, анализ полиморфиз ма длины амплифицированных фрагментов ДНК-AFLP - маркеры, анализ по лиморфизма высоковариабельных микросателлитных участков ДНК и другие (Конарев, 1998)
Техника RELP, RAPD и других маркеров используется для изучения по лиморфизма многих с/х культур с различными целями: для определения генеалогического родства между селекционными сортами, для определения гомоло-гичности хромосом, для целей генетического картирования и изучения межвидового родства на уровне ДНК, для идентификации аллелей генов селекционных признаков. Несомненное преимущество таких маркеров состоит в том, что они расположены ближе других субстанций к носителю наследственной ин формации или сами ею являются и поэтому наиболее часто, особенно ДНК -маркеры, используются для генетического картирования и выявления наличия полиморфизма той или иной генетической системы растительного организма. Анализ литературных данных свидетельствует о перспективности исполь Ш зования RAPD-метода при изучении полиморфизма рода Ыпит. Так, исследования, проведенные в институте генетики и цитологии (Беларусь), позволили при изучении различных видов рода Ыпит выявить ампфлициируемые RAPD-продукты, отличающиеся от других количеством фрагментов, их размером и степенью выраженности (Лемеш и др., 2000). В результате чего полиморфные фрагменты могут служить маркерами для определенного вида из рода Ыпит. Например, два вида L. регеппе и L. austriacum очень слабо орфологически обособлены друг от друга, надежно идентифицировать растения можно лишь в определенной стадии вегетации. Однако по данным RAPD-анализа виды легко различимы, несмотря на некоторую степень гомологии как по количеству, так и по размерам фрагментов.
С целью изучения генетического полиморфизма льна нами на базе Саска-тунского научного центра (Канада) была проведена молекулярная оценка образцов коллекции ВНИИЛ (Diederichsen, Rozhmina et. al., 2003). Для молеку лярной идентификации образцов льна использовалась методика полимеразной цепной реакции (ПЦР) - RAPD-метод.
