Содержание к диссертации
Введение
1 Основные направления селекционного процесса по созданию исходного материала и гибридов сахарной свеклы на основе ЦМС 13
1.1 Рекуррентный отбор как метод селекции 13
1.2 Теория и практика создания сростноплодных опылителей для гетерозисных гибридов сахарной свеклы 23
1.3 Теория и практика создания раздельноплодных линий закрепителей стерильности и их ЦМС аналогов 36
1.4 Гетерозис растений 68
1.5 Методы определения комбинационной способности 86
2 Условия, исходный материал и методика проведения исследований 98
2.1 Почвенно-климатические условия 98
2.2 Исходный материал и методика проведения исследований 107
Результаты исследований и их обсуждение 118
3 Сохранение генотипа исходных растений в процессе селекции и ускоренное выращивание сахарной свеклы в селекционно тепличном комплексе 118
3.1 Способы сохранения генотипа исходных растений сахарной свеклы в процессе селекции 118
3.2 Ускоренное выращивание и оценка селекционного материала в условиях тепличного комплекса 126
3.2.1 Влияние длины дня, температуры воздуха и типа изолятора на процессы опыления и оплодотворения растений сахарной свеклы 127
3.2.2 Оптимальные режимы минерального питания сахарной свеклы для ускорения перехода к генеративному развитию в условиях селекционно-тепличного комплекса 133
4 Рекуррентный и индивидуально-групповой отбор полусибсов на комбинационную способность по сахаристости и массе корнеплодов применительно к опылителям сахарной свеклы 142
4.1 Эффективность рекуррентного отбора на ОКС по сахаристости и массе корнеплодов применительно к популяциям сахарной свеклы 142
4. 2 Рекуррентный отбор на комбинационную способность по сахаристости и массе корнеплодов среди линий сахарной свеклы 152
5 Инбридинг и полиплоидия как методы создания сростно-плодных опылителей сахарной свеклы и их хозяйственно-биологическая характеристика 160
5.1 Создание синтетиков и линий опылителей методом инбридинга и полиплоидии 160
5.2 Поражение церкоспорозом сростноплодных опылителей 184
5.3 Качество семян сростноплодных опылителей 197
5.4 Продуктивность корнеплодов сростноплодных опылителей сахарной свеклы 204
6 Создание и характеристика раздельноплодных линий закрепителей стерильности и их ЦМС-аналогов сахарной свеклы 218
6.1 Создание раздельношюдных линий закрепителей стерильности и их ЦМС-аналогов 218
6.2 Устойчивость к церкоспорозу раздельноплодных линий закрепителей стерильности и их ЦМС-аналогов 236
6.3 Стерильность пыльцы ЦМС-форм, качество семян и продуктивность корнеплодов закрепителей стерильности и их ЦМС-аналогов 250
7. Гибриды сахарной свеклы на основе ЦМС 264
7.1 Комбинационная способность опылителей и ЦМС-форм и проявление эффекта гетерозиса у гибридов сахарной свеклы 264
7.2 Гибриды сахарной свеклы на основе ЦМС 301
Выводы 365
Предложения для селекционной практики и производства 370
Список использованных источников 371
Приложения 435
- Рекуррентный отбор как метод селекции
- Способы сохранения генотипа исходных растений сахарной свеклы в процессе селекции
- Создание раздельношюдных линий закрепителей стерильности и их ЦМС-аналогов
- Гибриды сахарной свеклы на основе ЦМС
Введение к работе
Актуальность темы Одним из перспективных путей повышения урожайности и адаптивности сельскохозяйственных культур является использование гетерозиса Открытие явления гетерозиса, по мнению академика А А Жученко (2001), - важнейшее практическое достижение генетики 20-го века Гетерозис успешно используется у многих культур, в том числе кукурузе, сорго, сахарной свекле, томатах, рисе, подсолнечнике, ржи, кормовых травах
В России все большее значение приобретает проблема обеспечения населения сахаром собственного производства Импорт белого сахара и сахара сырца, ввозимого в Россию, оценивается в стоимостном выражении на сумму около 1,5 млрд долларов США в год Наряду с этим, основные площади свеклосеяния в стране заняты гибридами иностранной селекции, что наносит существенный урон отечественному товаропроизводителю Так, если в 2000 г доля посевных площадей в Краснодарском крае, где выращивались зарубежные гибриды, составляла 20 %, то в 2006 г уже 80 % Аналогичная тенденция имеет место и в целом по стране
Задача отечественной селекции - создать новые высокоурожайные гибриды сахарной свеклы с повышенным содержанием сахара и устойчивостью к стресс-факторам, хорошо конкурирующие с импортными образцами
Почвенно-климатические условия Северо-Кавказского региона отличаются от других зон свеклосеяния Гибриды, выращиваемые в этой зоне должны обладать устойчивостью к церкоспорозу и другим болезням, засухе, иметь высокий потенциал продуктивности корнеплодов, не зависимо от изменений поч-венно-климатических условий, высокими посевными качествами семян и быть пригодными для возделывания по интенсивным технологиям В последние годы основное внимание селекционеров нацелено на создание новых межлинейных гибридов сахарной свеклы на цитоплазматической мужско стерильной основе, обладающих генетической гомогенностью, высоким эффектом гетерозиса по продуктивности корнеплодов и устойчивостью к стресс-факторам
Для получения таких гибридов большое значение имеет селекция на гетерозис, предусматривающая создание родительских форм, последующее скрещивание, и оценку продуктивности корнеплодов гибридов Непременным условием является полнота их переопыления, что решается путем использования материнского компонента с цитоплазматической мужской стерильностью, а также высокой комбинационной способность скрещиваемых компонентов
На решение комплекса проблем, связанных с созданием исходного селекционного материала и гибридов сахарной свеклы, отвечающих всем современным требованиям, и были направлены наши исследования. Существует несколько методов создания комбинационно-ценных опылителей
В мировой практике селекции сельскохозяйственных культур широкое применение имеет метод инбридинга (самоопыление), который позволяет создавать комбинационно-ценные, устойчивые к стресс-факторам, гомозиготные линии Применительно к сахарной свекле инбридинг используется для создания линий опылителей, закрепителей стерильности О-типа
Наряду с инбридингом при создании опылителей используются индивидуально-групповой отбор полусибсов и рекуррентный скрининг Рекуррентный отбор достаточно полно разработан на кукурузе, подсолнечнике и других культурах Однако применительно к сахарной свекле, как показывают литературные данные, этот метод нуждается в значительном совершенствовании
Одним из методов создания опылителей сахарной свеклы является перевод диплоидных форм на тетраплоидный уровень
Важнейшими этапами в создании гибридов сахарной свеклы на ЦМС основе являются получение МС аналогов и простых МС гибридов посредством проведения 4-5 насыщающих скрещиваний и гибридизации МС-форм с линиями закрепителями стерильности О-типа неродственного происхождения
Оценка комбинационной способности опылителей и МС-линий - является завершающим этапом в создании новых гибридов сахарной свеклы
Создание гибридов на основе ЦМС позволяет не только достигать полного переопыления и использования эффекта гетерозиса по комплексу хозяйственно полезных признаков, но и сочетать в полученных биотипах устойчивость к стресс-факторам как биотическим, так и абиотическим путем подбора компонентов скрещивания
Исследования проводили в Северо-Кавказском НИИ сахарной свеклы и сахара в соответствии с заданиями научно-технических программ
- ОЦ 036 Создание и хозяйственное освоение высокопродуктивных сор
тов и гибридов сахарной свеклы, технологии и оборудования для ее возделыва
ния и уборки,
- КНТП 0 51 14 Разработать и внедрить комплексную систему увеличения
производства сахарной свеклы, создать новые и усовершенствовать сущест
вующие технологические процессы и оборудования сахарного производства,
повышения выхода сахара с гектара, комплексного использования сырья, эко
номики топливно-энергетических ресурсов,
- РЦНТП Разработать ресурсосберегающие технологии и технические
средства по производству биологически полноценных продуктов питания
Цель и задачи исследований. Целью наших исследований являлось создание гетерозисных гибридов сахарной свеклы на основе ЦМС В соответствии с этим были поставлены следующие задачи
изучить сравнительную эффективность различных способов сохранения генотипа исходных растений сахарной свеклы в процессе селекции,
установить оптимальные условия режима выращивания селекционного материала в условиях тепличного комплекса,
показать эффективность различных методов оценки растений сахарной свеклы по общей комбинационной способности топкросс с МС-формой и ред-тестером, поликросс, свободное опыление;
определить влияние рекуррентного отбора на ОКС и индивидуально-группового скрининга полусибсов на собственную продуктивность корнеплодов и комбинационную способность популяций и линий сахарной свеклы,
разработать методику проведения реципрокного рекуррентного отбора применительно к сахарной свекле,
выявить экологические условия, способствующие лучшей завязывае-моста семян сахарной свеклы при инбридинге и установить влияние кратности самоопыления на величину завязываемости семян;
создать сростноплодные диплоидные и тетраплоидные синтетики и линии опылители, а также раздельноплодные формы закрепители стерильности, их ЦМС-аналоги и простые гибриды ЦМС-линий с линиями О-типа неродственного происхождения,
изучить устойчивость к церкоспорозу, собственную продуктивность корнеплодов и показатели качества семян синтетиков, линий опылителей, линий закрепителей стерильности и ЦМС-форм,
рассчитать комбинационную способность синтетиков, линий опылителей и ЦМС-форм сахарной свеклы и особенности проявления эффекта гетерозиса по признакам урожайности, сахаристости, устойчивости к церкоспорозу и всхожести семян,
создать высокопродуктивные раздельноплодные, устойчивые к церкоспорозу гибриды сахарной свеклы, изучить их экологическую пластичность и стабильность,
изучить влияние крупности семян сахарной свеклы на их посевные качества и урожайные свойства
Научная новизна исследований. Впервые в России разработана и запатентована методика осуществления реципрокного рекуррентного отбора в процессе создания гибридов сахарной свеклы (патент № 2107430)
Выявлена более высокая эффективность рекуррентного отбора по сравнению с индивидуально-групповым скринингом полусибсов в повышении ОКС популяций сахарной свеклы
Определена рациональная схема селекционного процесса и впервые созданы высокопродуктивные гибриды сахарной свеклы на основе ЦМС для зоны свеклосеяния Северного Кавказа, а также раздельноплодный гибрид кормовой свеклы, обладающий высоким содержанием сухих веществ
Проведен комплексный анализ влияния инбридинга, полиплоидизации и гибридизации родительских компонентов на значения ряда хозяйственно-биологических признаков
На основании многолетнего изучения явления гетерозиса по признакам массы корнеплодов, сахаристости, устойчивости к церкоспорозу и всхожести семян Впервые установлены общие и частные закономерности их проявления в популяциях и линиях сростноплодной и раздельноплодной сахарной свеклы
Практическая ценность работы. Получены данные по оптимальным способам сохранения генотипа исходных растений сахарной свеклы в процессе селекции Установлены оптимальные режимы выращивания растений в условиях тепличного комплекса с целью ускорения селекционного процесса
Результаты исследований по изучению завязываемости семян в процессе инбридинга растений раздельноплодной и сростноплодной сахарной свеклы в условиях высокогорья, равнины и селекционно-тепличного комплекса могут быть использованы при создании линий в процессе селекции на гетерозис
Научные положения диссертационной работы использованы при составлении рекомендаций по выращиванию корнеплодов и семян гибридов сахарной свеклы для регионов Северного Кавказа и Центрально-Черноземной зоны
Разработана усовершенствованная методика селекционного процесса создания родительских компонентов и гибридов сахарной свеклы на основе ЦМС
Рекомендовано использовать семена сахарной свеклы мелкой фракции (3,0-3,5 мм) на посевные цели, при условии их соответствия требованиям ГОСТа по всхожести, что повысит эффективность семеноводческих посевов и сократит дефицит посевного материала
Научная и практическая значимость разработанных и усовершенствованных методов создания исходного материала и гибридов подтверждена авторскими свидетельствами на гибриды сахарной свеклы - Линейный МС-05, Кубанский МС-74, Кубанский МС-82 и Кубанский МС-83, а также гибрид кормовой свеклы Первенец Ладожской, внесенные в Государственный реестр селекционных достижений, допущенных к использованию Авторские свидетельства получены также на родительские линии сахарной свеклы СКФ 4935 (СЦ 76 МС), СКФ 4936 (СЦ 77 ОТ), СКФ 4947 (СЦ 78 МС), СКФ 4938 (СЦ 79 ОТ), СКФ 4986 (СЦ 80 АЦ), СКФ 4995 (СЦ 81 АЦ), СКФ 5050 (СЦ 82 АЦ) - селек-центр ВНИС, г Киев, 4738 и 5135 - селекцентр ВНИИСС, п Рамонь
Реализация результатов исследований. Гибриды сахарной свеклы Линейный МС-05, Кубанский МС-74, Кубанский МС-82 и Кубанский МС-83, начиная с 1995 г по настоящее время, возделываются в свеклосеющих хозяйствах Краснодарского края в среднем на площади около 30 тыс га в год
Часть результатов данной работы входят в рекомендации «Возделывание сахарной свеклы по энерго- ресурсосберегающей технологии» (Краснодар, 1999), «Выращивание семян гибридов сахарной свеклы на ЦМС основе» (Рамонь, 2000)
Основные положения диссертации, выносимые на защиту
Возможность повышения комбинационной способности популяций сахарной свеклы по массе корнеплодов и сахаристости в процессе проведения рекуррентного отбора
Новый способ создания гибридов сахарной свеклы на основе ЦМС в процессе реципрокного рекуррентного отбора.
Целесообразность и результативность селекции диплоидных раздель-ноплодных гибридов сахарной свеклы на основе ЦМС по усовершенствованной нами схеме в направлениях повышенная масса корнеплодов и сахаристость, устойчивость к церкоспорозу и низким температурам воздуха, высокая всхожесть семян, экологическая пластичность и стабильность по продуктивности корнеплодов
Особенности проявления эффекта гетерозиса в процессе гибридизации линий сахарной свеклы по массе корнеплодов, сахаристости, устойчивости к церкоспорозу розетки листьев и всхожести семян
Целесообразность использования семян мелкой фракции (3,0-3,5 мм) на посевные цели, при условии их соответствия по всхожести требованиям ГОСТа
Апробация работы Материалы исследований и основные положения диссертационной работы докладывались на методических советах отдела селекции и генетики ВНИС (Киев, 1984-1989 гг ), на ученом совете ВНИС (Киев, 1989 г), на методическом и ученом советах СКНИИССиС (Гулькевичи, 1984-2001 гг), на Всесоюзной конференции молодых ученых (Киев, 1988 г ), на Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика А Л Мазлумова (Рамонь, 1996 г), на научно-практической конференции по проблемам глубокой переработки и экологической безопасности в производстве продуктов питания XXI века (Углич, 2001), а также семинарах-совещаниях руководителей и ведущих специалистов семеноводческих и свеклосеющих хозяйств Краснодарского края по теме «Сорта и гибриды сахарной свеклы для юга России» (Новокубанский, Лабинский, Курганинский, Ленинградский, Каневской, Новопокровский и Белоглинский районы, г Краснодар, 1998-2001 гг)
Публикация результатов исследований. Основные результаты исследований опубликованы в 45 научных работах, в том числе 4-х авторских свидетельствах на гибриды сахарной свеклы, 1-ом авторском свидетельстве на гибрид кормовой свеклы, 9-ти авторских свидетельствах на линии сахарной свеклы, 1-ом патенте на изобретение, 1-ой монографии «Научные основы создания раздельноплодных гибридов сахарной свеклы с использованием признака ци-топлазматической мужской стерильности», 27 научных статьях, из них в 24 работах, опубликованных в реферируемых изданиях, требуемых ВАК, и 2-х рекомендациях общим объемом 19,0 печатных листов
Объем и структура диссертации Диссертация изложена на 434 страницах основного печатного текста и состоит из введения, семи глав, выводов, предложений для селекционной практики, производства и приложений, содержит 117 таблиц, 4 рисунка, 15 приложений Список литературных источников включает 639 наименований, в том числе 239 иностранных авторов
Рекуррентный отбор как метод селекции
Рекуррентный периодический отбор является методом улучшения популяций и линий, его развитие связано с селекцией кукурузы (Zea mays). Долгое время источниками получения линий кукурузы служили свободно размножаемые популяции. Однако позже было установлено, что эффект гетерозиса в гибридном потомстве таких линий неудовлетворителен. Возник вопрос повышения частоты благоприятных аллелей в процессе увеличения числа генетических рекомбинаций (Richey, 1927; Richey, Sprague, 1931; Stadler, 1944; Richey, 1950; Sprague, Brimhall, 1950; Sprague, Miller, Brimhall, 1952: Hayes, Immer, Smith, 1955).
Рекуррентный отбор предусматривает как оценку гибридного потомства, так и более прогрессивный элемент отбора - использование повторных рекомбинаций, получаемых от скрещивания растений для повышения концентрации желательных генов в улучшаемом материале.
G. Sprague (1955) называет четыре типа периодического отбора: отбор по фенотипу; отбор на общую комбинационную способность; отбор на специфическую комбинационную способность; реципрокный периодический отбор.
Идея периодического отбора впервые была высказана Н. Hayes, R. Gar-ber (1919) и, независимо от них, Е. East, D. Jones (1920).
Все варианты периодического отбора носят циклический характер. В каждом цикле проводят: 1 - оценку отобранных форм и их самоопыление; 2 -скрещивание потомков лучших самоопыленных растений во всех комбинациях и смешивание семян каждого гибрида в равных количествах.
Простой периодический отбор применяется при селекции на такие признаки, которые проявляются фенотипически и легко контролируются. Этот тип отбора наиболее полезен, когда изучаемые признаки мало изменяют свою величину под влиянием окружающей среды и, таким образом, имеют высокую степень наследуемости (Johnson, El Banna, 1957).
Периодический отбор по фенотипу заключается в повторяющихся циклах, которые можно изложить следующим образом: 1 - самоопыление ряда растений и отбор лучших из них; 2 - скрещивание выделенных растений во всевозможных комбинациях, смешивание полученных семян; 3 - посев семян для получения новой популяции. Далее следует второй цикл отбора, который, как и первый, начинается с самоопыления и отбора лучших растений. Тем самым, селекционный процесс может продолжаться до получения желаемого результата.
С каждым циклом самоопыления растений создается более однородное потомство. Когда генетическая изменчивость становится очень малой величиной, с помощью сибсовых скрещиваний начинают поддерживать линии, которые затем испытывают на комбинационную способность. Лучшие образцы используют для получения гибридных семян.
G. Sprague, В. Brimhall (1950) приводят результаты селекции на высокое содержание масла в зерне кукурузы. В результате сравнения действия рекуррентного отбора и стандартного метода инбридинга было установлено значительное преимущество первого. Позднее G. Sprague, Р. Miller, В. Brimhall (1952), применяя периодический отбор, достигли повышения содержания масла от 4,0 до 7,0 %, или в среднем на 4 % в год. В сериях опытов с использованием стандартного метода содержание масла увеличилось с 5,0 до 5,6 %, или в среднем на 1 % в год, что в четыре раза ниже. I. Johnson (1956) после двух циклов простого периодического отбора на доннике (Melilotus albus) получил новую популяцию, превосходящую родительский сорт по урожаю зеленой массы на 50 %. Применение трех циклов массового отбора дало прибавку урожая лишь на 19 %. L. Penny, W. Russel, G. Sprague, A. Hallauer (1963) сообщили о своих исследованиях на растениях кукурузы. Популяция, полученная после первого цикла рекуррентного отбора, имела урожайность 105,4 бушеля (35,2 дм ) на акр в сравнении с 98,1 бушелей (32,8 дм ) на акр у исходной популяции. Таким образом, один цикл отбора привел к повышению урожайности на 7,3 бушеля на акр.
Перечисленные выше результаты исследований ряда авторов и другие работы свидетельствуют о значительных преимуществах простого периодического отбора по сравнению с методом инбридинга и массовым скринингом. Сравнительно эффективным этот метод оказался и в повышении устойчивости к болезням родительских популяций.
Первое детальное описание рекуррентной селекции на общую комбинационную способность с целью повышения урожайности синтетических сортов сделал М.Jenkins (1940). Он советовал использовать в качестве тестера случайные растения из популяции. В настоящее время общепризнано, что тестером при этом методе должна служить относительно устойчивая, гетерогенная популяция, с широкой генетической основой (Турбин, Хотылева, Каминская, 1976). Этот метод базируется на признании в качестве основной причины гетерозиса гипотезы доминантных сцепленных факторов, обладающих аддитивным эффектом.
По Л. Н. Каминской (1985), при проведении рекуррентного отбора на ОКС отобранные из исходной популяции растения подвергают самоопылению и одновременно скрещивают с тестером. Если это затруднительно осуществить с одним растением, то оценка комбинационной способности линий So проводится на основе скрещивания их потомков Si (комбинационная способность линий S0 и Si рассматривается как равнозначное свойство). Затем проводят оценку гибридных потомств. Выделенные на основе испытания гибридного потомства лучшие по комбинационной способности линии служат исходным материалом для формирования синтетической популяции. Синтетики можно создавать двумя путями. Один из них заключается в получении смеси одинаковых количеств семян, выделенных самоопылением линий Si и посеве на изолированном участке, где они свободно переопыляются. Другой метод заключается в скрещивании линии Si по неполной диаллельнои схеме — под изоляторами. Полученные гибридные семена смешивают и высевают для получения первой синтетической популяции. Этот вновь образованный синтетик (Син-1) будет использоваться в следующем цикле отбора.
Возможны два метода оценки эффективности применения рекуррентного отбора: 1 - сравнение продуктивности родительских популяций и полученных синтетиков; 2 - сравнение их комбинационной способности.
I. Johnson (1952) сообщил результаты проведения периодического отбора на ОКС по урожайности зеленой массы клевера. За один цикл отбора был достигнут значительный прогресс: с 91,9 до 121,1 % от средней урожайности сорта Мадрид. При этом уменьшения генетической вариансы не наблюдалось. J. Lonnquist (1961) применял периодический отбор на ОКС для улучшения пяти сортов кукурузы. В результате проведенных исследований было установлено, что двух-трех циклов оказалось достаточно для получения синтетиков, превосходящих по урожайности двойной гибрид U.S. 13. Было отмечено, что если во втором цикле прибавка урожая составила 6,3 ц/га, то в третьем цикле - всего лишь 0,6 ц/га. Снижение эффективности рекуррентного отбора в третьем цикле, по-видимому, можно объяснить тем, что этот метод периодического отбора является мощным средством для полной реализации генетического потенциала популяции и, что он почти полностью исчерпал их возможности для дальнейшего повышения ОКС.
R. Hecker (1967) представил данные по результатам сравнения эффективности трех методов отбора: массового, поликросстеста и рекуррентного на общую комбинационную способность по признакам сахаристость и урожайность сахарной свеклы. Повышение содержания сахара в соке было продемонстрировано в двух популяциях от рекуррентного отбора, массы корнеплода - в двух популяциях, полученных поликроссным методом. Внимательное рассмотрение обоих признаков выявило несущественные различия между селекционными методами в отношении сбора сахара.
Способы сохранения генотипа исходных растений сахарной свеклы в процессе селекции
Рекуррентный отбор у сахарной свеклы имеет свою специфику, которая связана с биологическими особенностями этой культуры. Так, у свеклы невозможно осуществить массовую кастрацию цветков, поэтому реципрокно-рекуррентный вариант отбора в его классическом виде здесь, по существу, неприменим. В отличие от кукурузы, большие затруднения возникают в процессе самоопыления растений сахарной свеклы при создании чистых линий, так как эта культура относится к числу факультативных перекрестников, а генетическая система самонесовместимости у нее очень сложная. Однако наряду с ксеногамией - перекрестным опылением между цветками различных растений - свекле свойственны и гейтеногамия -опыление между цветками того же растения - и аутогамия - опыление в пределах цветка. Опыты по самоопылению свеклы впервые провел Ч.Дарвин (1939) в середине 19 века. Он установил, что свекла является самофертильным растением, так как при самоопылении завязывалось значительное количество семян. Е.И. Харечко-Савицкая (1940,а), обобщая многолетние исследования, отметила, что большинство форм свеклы относится к самостерильным биотипам. Зарубежные исследователи получили аналогичные результаты (Show, 1916; Hjalmar-Nilsson, 1924; Hollquist, 1927 и ДРО Наряду с самостерильными и самосовместимыми растениями сахарной свеклы были выявлены формы, оказавшиеся в высшей степени самофертильными (Гринько, 1940). Потомства таких растений, как правило, сохраняют самофертильность, что свидетельствует о генетическом контроле этого признака. Однако число таких растений обычно очень небольшое (Рыбак, 1979), что вызывает необходимость передачи гена самофертильности Sf. Введение гена самофертильности в самостерильные материалы позволяет получать достаточное количество семян при самоопылении (Лейбович, 1985). Признак самофертильности контролируется двумя доминантными генами.
Менее трудоемким и более простым методом является использование псевдосовместимости за счет модифицирующего действия на самофертильность пониженных температур в период цветения (Hjalmar-Nilsson, 1922; Харечко-Савицкая, 1940а). Особенно перспективным оказался метод создания самоопыленных линий свеклы в условиях высокогорья, где в летнее время в течение суток сохраняется сравнительно пониженная температура. Для поддержания генотипа исходных растений сахарной свеклы в чистоте селекционеры используют клонирование - вегетативное размножение путем проращивания корнеплодов, разрезаний их на части, пробуждения почек и вычленения их с последующим укоренением побегов (Войткевич, 1922; Мазлумов, 1970; Бабьяж, 1971а). К сожалению, этот метод требовал больших затрат труда и в настоящее время практически не используется.
В качестве других вариантов вегетативного размножения иногда применяют культуру многолетников (корнеплод или часть его сохраняют для повторного воспроизведения семян) и черенкования (Михалевич, 1928; Орловский, 1940а). Т.Ф. Гринько (1950) считал, что, применяя в селекции многолетнее клонирование педигри, можно, не подвергая переопылению, 120 сохранить их в стадии вегетативного состояния до тех пор, пока будут выяснены наследственные свойства. Жизнеспособность корнеплодов можно также поддерживать путем удаления на второй и третий год цветоносных побегов. Это дает возможность сохранить генотипы лучших родоначальников. Однако этот прием технически еще недостаточно отработан. Посредством использования метода культуры тканей (in vitro) удается культивировать отдельные растительные клетки и вызывать их к регенерации целого растения (Steward, Calpin, 1954). Однако в клонах, полученных из одной отдельной клетки (хлоропластов, митохондрий), могут проявляться соматические повреждения, возникающие в виде точковых мутаций, в каллусах же целых растений этого не происходит (Джеймс. Ф. Шепард, 1983). Поэтому, используя культуру изолированных тканей каллуса целых растений, можно надежно сохранить в чистоте генотип этого растения (Знаменская, Жужжалова, 1990). В наших исследованиях изучались и сравнивались разные способы сохранения в чистоте генотипов растений сахарной свеклы (культура многолетников, культура изолированных тканей и клонирование) с целью последующего использования лучших из них в селекции для создания новых популяций и линий (Балков, Джигирис, Павловская, Волгин, Силевко, 1985).
Опыты проводили во Всесоюзном НИИ сахарной свеклы (ВНИС), Северо-Кавказском филиале ВНИС (СКФ ВНИС) и на Межотненской селекционной станции (МСОС). Объектами исследования служили сорта сахарной свеклы Рамонская 06, Межотненская 080, образец СЦВ-1 (ВНИС), популяции «Пцер», линии СК-5 и СК-173 (СКФ ВНИС), а также закрепители стерильности Межотненской селекционно-опытной станции. В опыт включали по 50-100 корнеплодов каждого образца, отобранных с учетом высоких значений массы корнеплода, содержания сахара, технологических качеств и морфологических признаков. Самоопыление растений осуществляли в поле и теплице под изоляторами. Многолетники получали, разрезая корнеплод на четыре части и высаживая «четвертинки» в поле или теплице с последующим удалением (10-12 раз в течение лета) цветоносных побегов. Сохранение исходного генотипа в культуре тканей осуществляли методом меристем по модифицированной методике, разработанной для сахарной свеклы в лаборатории культуры тканей ВНИС (Ильченко, 1983).
Специфика рекуррентного скрининга состояла в том, что из первоначально отобранных растений после проверки по селектируемому признаку оставляли для дальнейшей работы лишь незначительную часть, остальные же растения и клоны выбраковывали.
При самоопылении растений сорта Межотненская 080 удалось сохранить в чистоте семь генотипов (табл.3.1.1). Число корнеплодов, полученных в самоопыленных линиях, в зависимости от генотипов растений варьировало от 3 до 41 штук. В культуре многолетников было сохранено всего два однородных растения (по одному корнеплоду у каждого). Методом культуры тканей был сохранен генотип исходных форм у 10 растений, причем каждый образец был представлен сотней растений микроклонов.
При анализе линий сорта Рамонская 06 мы отобрали 13 семей, показавших высокую урожайность и сахаристость. В ходе самоопыления 10 линий сохранили исходный генотип (от 2 до 44 корнеплодов), в культуре многолетников - четыре (по одному корнеплоду у каждого) и в культуре тканей - девять (по 100 микроклонов каждый).
У селекционного образца СЦВ-1, полученного в результате валентных скрещиваний триплоидов, было выделено по признакам высокой урожайности и сахаристости корнеплодов три растения, из которых методом самоопыления сохранили один исходный генотип, методом культуры тканей - два, а при укоренении в пробирках - по 100 шт. растений каждого номера, выращенных микроклональным методом.
Следует подчеркнуть, что создание укоренившейся пробирочной культуры тканей - это лишь первый этап работы. Не менее важным является получение штеклингов в полевых нестерильных условиях. Такой опыт был заложен во ВНИС в 1984 году. На делянке размножения было высажено 203 микроклона. К концу года из них прижилось 201 растение (99 %) из числа высаженных. Корнеплоды лучших номеров высадили в теплицу Белоцерковской опытно-селекционной станции по циклу «от штеклинга до семени» для дальнейшей работы по схеме рекуррентной селекции.
Мы изучали также методы сохранения чистоты генотипа в условиях Северо-Кавказского филиала ВНИС (ныне Северо-Кавказский НИИ сахарной свеклы и сахара). Оказалось, что в этих условиях селекционные материалы по-разному реагировали на самоопыление (табл. 3.1.2).
Создание раздельношюдных линий закрепителей стерильности и их ЦМС-аналогов
Селекционный процесс по созданию МС форм в наших исследованиях состоял из пяти основных этапов:
1. Отбор лучших по сахаристости, комбинационной способности и устойчивости к церкоспорозу раздельноплодных диплоидных форм (кандидатов в закрепители стерильности О-типа).
2. Проведение парных скрещиваний кандидатов в закрепители стерильности О-типа с МС-формами.
3. Отбор лучших по раздельноплодности и закрепительной способности селекционных номеров.
4. Насыщающие скрещивания (три-четыре) МС-форм с линиями О-типа (в процессе осуществления насыщающих скрещиваний и одновременного инбридинга, возможна предварительная оценка комбинационной способности изучаемых кандидатов в закрепители стерильности посредством их гибридизации с ред тестером и или по типу поликросс).
5. Скрещивание новых МС-форм с сростноплодными опылителями и оценка комбинационной способности.
О направлении и масштабах проводимых исследований можно судить по приведенным ниже данным.
В 1983 г. с целью получения линий кандидатов в закрепителей стерильности О-типа сотрудниками лаборатории генетики и создания исходных селекционных материалов было высеяно 3542 растения раздельноплодной свеклы 2-4 поколений инбридинга, из этого количества было поставлено индивидуальных изоляторов 2025 штук или 57 %, завязали различное количество семян 50,2 % от числа проанализированных.
На высокогорном участке (г. Теберда) были выращены семена 1819 раздельноплодных линий 2-6 поколений инбридинга, завязываемость составила 59,5 % (табл. 6.1.1), что несколько выше, чем в условиях СТК. С возрастанием поколений инбридинга значительно повышаются показатели завязываемости семян, что обусловлено постепенным отбором самофертильных биотипов.
Наряду с получением раздельноплодных инбредных линий сахарной свеклы осуществляли анализирующие скрещивания их с МС-формами (табл. 6.1.2).
В целом было проведено 215 скрещиваний, из них завязались семена только у 39 % исследуемых образцов, стерильность и раздельноплодность достигли в отдельных случаях 100 %, что свидетельствует о значительной эффективности проводимой работы.
В осенне-зимний сезон продолжались работы по самоопылению индивидуальных растений раздельноплоднои сахарной свеклы в тепличном комплексе. Наибольшая завязываемость семян под индивидуальными изоляторами получена при выращивании по циклу от семени до семени (табл. 6.1.4).
Как следует из полученных данных, среднее количество растений завязавших плоды составило 85,7 % с варьированием от 50 до 100 %.
При выращивании растений сахарной свеклы по циклу «от корнеплода до семени» завязываемость семян на высокогорном участке в 1984 г. составила в среднем 49,5 %, в условиях селекционно-тепличного комплекса -33,6 %.
Высокий показатель завязываемости семян при выращивании растений в условиях СТК по циклу «от семени до семени» объясняется по видимому, тем, что выращенные в теплице штеклинги проходили период термоиндукции в вегетирующем состоянии без уборки, хранения в холодной камере и посадки в грунт, которые являются значительным стресс-фактором угнетающим рост и развитие растений.
В условиях высокогорного участка заметна тенденция к увеличению количества завязавшихся клубочков на одно растение с увеличением кратности инбридинга, что свидетельствует о постепенном отборе генотипов, склонных и самофертиности и самофертильных. В дальнейшем были получены аналогичные результаты. В процессе создания раздельноплодных кандидатов в закрепители стерильности О-типа проводили предварительную оценку их комбинационной способности по урожайности и сахаристости. На первых этапах селекционного процесса осуществляли скрещивание таких линий с ред тестером по типу поликросс (оценка ОКС). В качестве примера приводим результаты оценки гибридных комбинаций (табл. 6.1.6).
Урожайность лучших поликроссных гибридов варьировала от 94,7 до 146,5 %, сахаристость - от 106,7 до 110,8 % и сбор сахара - от 103,8 до 156,0 % от стандарта Р06. Наиболее перспективными являются линии под номерами 325,6 и 489. Наиболее толерантными к церкоспорозу оказались поликроссные гибриды линий под номерами 325,6 и 1300, у которых поражение церкоспорозом варьировало от 83,3 до 87,5 от уровня контроля. У гибридов с редтестером урожайность варьировала от 117,0 до 195,0 % от Р06, сахаристость - от 68,1 до 80,4 %, что связано с низким уровнем сахаристости у ред. тестера, сбор сахара - от 84,8 до 144,1 % (табл. 6.1.7).
После оценки комбинационной способности по признакам урожайности и сахаристости в 1985 г. были отобраны лучшие раздельноплодные линии сахарной свеклы и использованы в скрещиваниях с МС-формами для создания новых МС-аналогов. В дальнейшем проводились аналогичные научно-исследовательские работы по созданию ЦМС-форм сахарной свеклы.
При осуществлении инбридинга, парных (анализирующих и насыщающих) скрещиваний проводили сравнительную оценку двух методов: парных скрещиваний (под изоляторами) и свободного опыления (на пространственно-изолированных участках) (табл. 6.1.9).
Гибриды сахарной свеклы на основе ЦМС
Первые гибриды сахарной свеклы создавались на основе скрещивания диплоидных сортов. Однако, несмотря на то, что некоторые межсортовые гибриды были районированы на протяжении ряда лет, они не намного превышали исходные сорта (прибавка в сборе сахара составляла 0,2-0,3 т/га) при условии вовлечения в гибридизацию более контрастных по происхождению, продуктивности и биологическим особенностям сортов (Орловский, 1959; Неговский, 1962; Федоров, 1962).
Исследования по полиплоидии у сахарной свеклы, начатые в 1938 и 1939 гг., открыли новые перспективы в направлении сочетания эффекта полиплоидии и гетерозиса в процессе гибридизации диплоидных форм с тетраплоидными (Peto, Boyes, 1940; Schlosser, 1940, 1951; Matsumura, Mohizuki, 1953; Sedlmayr, 1957, Csitkovicz, Magassy, 1961, Knapp, 1962; Сахаров, Мансурова, Платонова 1959; Бормотов, 1960, 1961; Лутков, 1961). Первые трип-лоидные гибриды сахарной свеклы создавались на основе скрещивания ди- и тетраплоидных сортов-популяций. По общей урожайности полиплоидные сорта (триплоидные гибриды) превосходили стандарты (Sedlmayr, 1955; Та-ранюк, 1964; Турбин, Бормотов, Матросов, Савченко, Загрекова, 1966).
Существенным прогрессом в селекции сахарной свеклы было использование метода гибридизации диплоидных самоопыленных линий (Coons, 1936; Stewart et al., 1940; Савицкий, 19406; Kohls, 1950; Coons et al., 1955; Sedlmayr, 1964; Oldemyetr, Smith, 1965). После открытия F.V. Owen, 1942, 6; 1945 явления цитоплазмотической мужской стерильности у сахарной свеклы, наиболее перспективной оказалась гибридизация фертильных линий с ЦМС-линиями, так как она позволяет получать практически 100 % гибридное потомство (Oldemyetr, Smith, 1965). К 1970 г. в США были созданы линейные гибриды, превышающие по сбору сахара лучшие свободноопыляющиеся сорта на 18-20 % (Лутков, Таранюк, Малецкий, 1970).
В нашей стране основное внимание уделялось многократному индивидуальному отбору при близкородственном размножении родоначальников, что до некоторой степени является одной из форм ослабленного инбридинга, реципрокным скрещиваниям и оценке отобранных материалов на комбинационную способность (Гринько, 1962; Перетятько, 1963).
Однако ориентация селекционно-генетических исследований на межлинейную гибридизацию заставила приступить к теоретическим исследованиям и экспериментальной работе по созданию линий-опылителей сахарной свеклы (Шевцов, Кулик, 1973; Хотылева, Каминская, Полонецкая, 1980; Шевцов, 19826). Работы в направлении поиска ЦМС-форм в бывшем СССР были начаты в 1958 г., когда на Бийской опытно-селекционной станции у сростноплодного сорта Бийская 032 были обнаружены 12 растений с различной степенью стерильности. С начала 60-х годов прошлого века в этой работе принимали участие практически все селекционные учреждения по сахарной свекле, как в нашей стране, так и за рубежом (Балков, 1990).
Среди раздельноплодных форм сахарной свеклы первые стерильные растения были найдены на бывшей Первомайской опытно-селекционной станции (ныне СКНИИСС и С) в 1960 г. (Таранюк, 1964).
303 В СССР первые гибриды сахарной свеклы на ЦМС основе стали появляться с начала 80-х годов прошлого века. Наряду с раздельноплодными сортами производству стали предлагать гибриды на стерильной основе: Юбилейный, ЛВ МС 21, ЛВ МС 31, Украинский МС 70, Дружба МС 34, Рамонский МС 46 и другие, которые отличаются достоверно высокой продуктивностью (Роик, Балков, 1997). Сравнение диплоидных и триплоидных гибридов, родственных по материнской линии, показало, что степень выраженности гетерозиса у лучших из них примерно одинакова. Однако частота встречаемости комбинационно ценных форм возрастала при использовании компонентов разного уровня плоидности (Балков, 1975, а, 1990; Бережко, Коломиец, 1979; Ошевнев, 1999). Следует также отметить, что всхожесть триплоидных гибридов ниже чем диплоидных.
В наших опытах изучались основные хозяйственно-биологические показатели гибридов раздельноплодных диплодных ЦМС-линий со сростноп-лоидными диплоидными линиями - опылителями, диплоидными и тетрапло-идными опылителями не широкой генетической основе (синтетики, потомства индивидуально-группового отбора, педигри и умеренного инбридинга).
В Северо-Кавказском филиале ВНИС в 70-х годах прошлого века в качестве материнских компонентов гибридов использовали МС-формы иностранной селекции и других, научно-исследовательских учреждений системы ВНИС.
Несколько позже - в 80-х годах прошлого века были созданы линии закрепители стерильности О - типа и ЦМС-аналоги собственной селекции. В качестве опылителей при создании гибридов использовали диплоидные и тетраплоидные популяции, синтетики, линии и межлинейные гибриды сахарной свеклы. При этом создавались простые, трехлинейные и четырехлинейные гибриды (рис. 7.2.1).
В результате проведения многократных оценок по продуктивности корнеплодов и устойчивости к церкоспорозу были отобраны ряд перспективных гибридов. Так, по результатам испытания 132 гибридов в 1989 г. было отобрано 19 лучших (табл. 7.2.1). Наиболее высокая урожайность корнеплодов наблюдалась у комбинаций 4935 МСх4963, 4935 МСх4947, 4941 МС х 5121, 4455 МС х 5925, 4935 МС х 5121, 4935 МС х 4992, 4941 МС х 5131.
