Введение к работе
Актуальность темы
Перец (Capsicum annuum L.) экономически значимая овощная культура во многих странах, в том числе в России и Приднестровье, обладает высокими пищевыми, технологическими и вкусовыми достоинствами и может быть отнесен в разряд культур, способствующих сохранению генофонда и здоровья нации.
В конце ХХ столетия селекция перца овощного была ориентирована главным образом на выведение продуктивных и устойчивых к вертициллезному увяданию сортов. Однако после успешного создания серии сортов с различной степенью устойчивости к болезни требования к культуре трансформировались. Приоритетным и актуальным направлением стало создание сортов с разнообразной продолжительностью фенологических фаз, различной формой и окраской перикарпия. Особую значимость приобрело создание сортов с улучшенными биохимическими показателями для целевого функционального питания и в частности с более высоким содержанием -каротина в плодах, который совместно с витаминами С и Е является важнейшим элементом пищевого рациона человека. Кроме того, повышенные требования потребителя к комплексу признаков, изменения климатических условий и форм собственности диктовали необходимость скорейшего создания гибридов F1, у которых легче сочетать нужный комплекс хозяйственно-ценных признаков (ХЦП) и которые вначале 90-х практически отсутствовали в производстве. Одновременно необходимо было наладить работу по совершенствованию их семеноводства, и в частности по использованию стерильных форм. Такой подход обеспечивал достаточным количеством семян и крупное производство, и мелких потребителей.
Селекционер при создании новых сортов и гибридов для получения конкретных результатов должен четко представлять, подбирая пары для скрещивания, насколько различаются исходные родительские формы по составу полигенов ХЦП. Поэтому представляются актуальными исследования, которые дифференцируют комплекс полигенов растений, определяющих основные параметры ХЦП: продуктивности, качества плодов, продолжительности вегетационного периода, адаптивности к биотическим и абиотическим стрессорам и ряду других параметров. Одним из таких приоритетных направлений является мониторинг генофонда с эколого-генетической идентификацией генотипов. Сведения в данной области по культуре перца не многочисленны и не достаточно обобщены. И связано это с тем, что фундаментальные основы организации растительных полигенных систем до конца не определены, и не выявлены детальные механизмы их работы. До сих пор для C.annuum отсутствует полная хромосомная карта, отображающая имеющиеся 12 групп сцепления. Созданная совсем недавно (Wu et al., 2009) рестрикционная карта, охватывающая весь геном перца, основана на серии общих генов, распределенных у томата, картофеля, баклажана и модельного растения Arabidopsis thaliana (L)Heynh., и еще не апробирована в достаточной степени на практике, а идентифицированный набор полигенов культуры пока ограничен. Поэтому исследования по разработке методов дифференциации генотипов по комплексу ХЦП и их использованию в селекционном процессе остаются актуальными. Одним из первоочередных этапов научных разработок в области количественных признаков растений в связи с этим является установление корреляционных взаимосвязей признаков и кодирующих их аллелей. Выявленные взаимосвязи, воссоздающие координированную экспрессию полигенов ХЦП, отражают упрощенную схему генной сети полигенов (ГС), которые либо формируют ХЦП, либо осуществляют реализацию конкретного процесса.
Цель и задачи исследований
Целью наших исследований стал селекционно-генетический мониторинг генофонда Capsicum L. по основным хозяйственно-ценным признакам. Для этого решались следующие задачи:
-
Изучение выраженности, изменчивости и наследования во взаимосвязи со средой признаков раннеспелости, высокого содержания – каротина в плодах, устойчивости к болезням и переключения фаз репродукции в культуре in vitro.
-
Совершенствование методов оценки и отбора по признакам раннеспелость и устойчивость к болезням.
-
Изучение проявления и наследования комплекса ХЦП.
-
Разработка регрессионно-кластерного анализа комплекса полигенов ХЦП и их эколого-генетическая идентификация.
-
Определение состава цепочек ХЦП, обуславливающих структуру урожая в конкретной среде.
-
Установление структуры корреляционных взаимосвязей признаков важнейших ХЦП и кодирующих их аллелей.
-
Уточнение проявления эффекта гетерозиса по ХЦП в зависимости от условий.
-
Прогноз гетерозиса для моделируемой среды с уточненными приоритетными признаками, по которым в первую очередь должен проводиться отбор.
-
Создание нового исходного материала Capsicum с комплексом ХЦП.
-
Разработка и организация семеноводства перспективных гибридов F1 на стерильной основе.
Научная новизна результатов исследований
Генетический мониторинг генофонда Capsicum, включающего свыше 3500 образцов и 26000 генотипов, выявил источники ХЦП, на основе которых:
получены новые доноры с комплексом ХЦП: высокой продуктивностью, раннеспелостью, толерантностью к заболеваниям, улучшенным биохимическим составом, разнообразные по форме и окраске перикарпия, а также доноры по признаку образования эмбриоидов в культуре пыльников и регенерации полноценных растений;
для случаев генных взаимодействий и материнского эффекта предложен регрессионно-кластерный анализ диаллельных скрещиваний, результаты которого визуализируются многомерными методами;
с помощью регрессионно-кластерного анализа проведена эколого – генетическая идентификация генотипов по 16 ХЦП и кодирующих их доминантных аллелей в двух условиях;
уточнена структура организации растительных полигенных систем в виде упрощенной схемы генной сети ХЦП, работающая на основе функциональных связей, которые переопределяют показатели признаков под воздействием триггерных факторов среды;
предложен подход к определению приоритетных признаков при проведении отборов в моделируемой среде в случае эффекта гетерозиса по ХЦП;
установлен полигенный механизм функционирования генов-переключателей, сопровождающийся неаллельными взаимодействиями, обуславливающий успех унипарентальной репродукции;
выявлен паттерн функционирования генов-переключателей, от незрелой микроспоры (поздняя одноклеточная стадия или ранняя двуклеточная) до незрелого зиготического зародыша (торпедовидная фаза).
установлена локализация мутантного гена bc, комплементарно взаимодействующего с у-геном, с относительным расстоянием по Косамби между локусами в пределах mk=64,67cM.
обнаружено, что между генами bc и y наблюдается явление цистранс эффекта, что обуславливает нестабильную выраженность признака «окраска перикарпия». Красно-оранжевая окраска перикарпия обусловлена функционированием генов bc и CrtZ-2;
выявлена дифференцированная жизнеспособность гамет, несущих гены bc и y и летальность двойного рецессива (bcbcyy);
установлена способность излучения He-Ne лазера с длиной волны 630 нм стабилизировать проявление ряда ХЦП при воздействии биотических и абиотических стрессоров.
Практическая ценность научного труда. Разработана регрессионно - кластерная оценка генотипов по комплексу доминантных аллелей, контролирующих ХЦП, что позволяет вести селекцию идентифицированного материала и целенаправленно подбирать пары для скрещивания. В результате многолетних исследований по генетическому мониторингу рода Capsicum выделены источники и доноры ХЦП раннеспелости, высокого содержания биологически-ценных компонентов в плодах, устойчивости к болезням, продуктивности, а также по комплексу ХЦП. Выведенные перспективные генетически разнокачественные новые линии перца легли в основу практического осуществления генетической программы по созданию генофонда перца для различных условий возделывания, отвечающего современным требованиям селекции культуры. Результаты работы по теме диссертации реализованы в пяти сортах и двух гибридах сладкого перца, включенных в государственные реестры селекционных достижений, допущенных к использованию по Российской Федерации и Республике Беларусь. Они защищены авторскими свидетельствами и патентами. Разработана и уточнена система ведения семеноводства новых гибридов на стерильной основе.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Генетический мониторинг полигенов ХЦП в генофонде Capsicum включающий:
систему методов оценки, проявления, степени выраженности, варьирования и наследования важнейших ХЦП, обеспечивающую их достоверную идентификацию;
идентифицированные доноры перца по важнейшим генам и блокам генов ХЦП: болезнеустойчивости, раннеспелости, содержанию - каротина и витамина С, генам жизненной стратегии, определяющим тип репродукции в условиях in vitro;
регрессионно-кластерный анализ скринирования генофонда растений с генетически обусловленным комплексом ХЦП;
эколого-генетическую идентификацию генотипов по норме реакции с визуализацией ключевых аллелей, контролирующих важнейшие ХЦП по комплексу признаков;
уточненный механизм организации и функционирования растительных полигенов ХЦП и эффекта гетерозиса для проведения адекватных отборов в моделируемой среде.
-
Практическое осуществление программы по генетическому мониторингу полигенов ХЦП и их использование в селекции сортов и гибридов перца.
-
Особенности семеноводства родительских форм и гибридов F1 овощного перца для условий пленочных теплиц.
Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации доложены на V International Solanaceae Conference, (Nijmegen, Holland, 2000); XI и XIII Международных конгрессах EUCARPIA “Genetics and Breeding of Capsicum and Eggplant” (Antalya, Turkey, 2001; Warsaw, Poland, 2007); IV Balkan Symposium on Vegetables and Potatoes (Plovdiv, Bulgaria, 2008), докладывались и обсуждались на заседаниях методических комиссий по генетике и селекции, Ученых и координационных советах Приднестровского НИИ сельского хозяйства, Приднестровского университета с 1976 по 2009 гг, а также на 19-ти Международных и Республиканских симпозиумах, совещаниях и конференциях по общей генетике, мутагенезу, биотехнологии, селекции, иммунитету и овощеводству: Кишинев, 1991, 2002, 2005; Тирасполь, 1996, 2001,2003, 2005; Москва, 1997, 1999, 2000, 2003, 2008; Саранск, 2001; Саратов, 2003; Минск, 2004; Харьков, 2005; Одесса, 2008, 2010, Вена, 2011.
Связь работы с крупными научными программами. Исследования выполнялись по государственной тематике Приднестровского НИИ сельского хозяйства «Создать генетические источники высокой адаптивности для культуры томата и перца с хозяйственно-ценными признаками», «Создать и передать в ГСИ высокопродуктивные сорта перца для открытого и защищенного грунта, выносливые к вертициллезному увяданию и мозаике», Приднестровского госуниверситета «Изучение механизмов переключения программы развития с гаметофитной на спорофитную у сладкого перца в культуре in vitro», а также по разделу “Оценка естественных и мутантных ресурсов по увеличению уровня биоактивных компонентов у овощей”, являющемуся также частью регионального гранта по линии МАГАТЭ RER5013 “Evaluation of Natural and Mutant Resources for Increased Phytonutrient Levels in Vegetable Crops and Potatoes”.
Публикации. По материалам докторской диссертации опубликовано 83 работы: в том числе одна монография (в соавторстве), два методических указания и восемь статей в рецензируемых журналах из «Перечня…» ВАК РФ, семь авторских свидетельств и три патента на сорта и гибриды, выданных Госкомиссией РФ по сортоиспытанию и одно свидетельство - Госкомиссией Республики Беларусь.
Личный вклад соискателя. Экспериментальные результаты получены автором лично и совместно с коллегами из Приднестровского НИИ сельского хозяйства, Приднестровского государственного университета, Института Общей генетики Республики Молдова, Всероссийского НИИ овощеводства, Института систем информации РАН, Новосибирск, а также с аспирантами и студентами, работавшими под руководством диссертанта. Соискателю принадлежит составление программы исследования, схем всех экспериментов, непосредственное выполнение ключевых опытов и селекционных разработок, а также теоретическое обобщение полученных результатов. Участие и помощь всех, способствовавших выполнению работы, отображена в совместных публикациях. Всем сотрудникам, принимавшим участие в совместных исследованиях, автор приносит глубокую благодарность. Особенно признательна академикам Жученко А.А.и Драгавцеву В.А., профессорам Н.Н. Балашовой и Т.Р.Стрельниковой, которые оказали решающее воздействие на выбор направления и объекта исследований. Автор признательна профессору С. Даскалову (БАН, София), предоставившему для исследования уникальные мутантные линии, канд. с.-х. наук Ильенко Т.С. за многолетнюю и продуктивную совместную работу, светлая память о которых всегда будет связана с одними из лучших селекционных разработок. Благодарю научного консультанта, профессора В.Ф. Хлебникова и докторов биологических наук Ю.В. Чеснокова и И.Т. Балашову за поддержку и плодотворное обсуждение работы, а также докторов с.-х. наук А.П. Погребняка и А.В. Садыкина за ценные замечания по структуре и оформлению рукописи.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 354 страницах компьютерного текста и состоит из введения, 6 глав, заключения, выводов, практических рекомендаций, включает 99 таблиц, 45 рисунков, 8 приложений. Список использованной литературы содержит 400 наименований, в том числе 264 на иностранных языках.
Похожие диссертации на Селекционно-генетическая характеристика исходного материала Capsicum L. по основным хозяйственно-ценным признакам.
