Методи створення вихідного матеріалу для селекції кукурудзи

До кінця Х1Х ст. головним методом селекційної роботи з кукурудзою був масовий добір. Основний його зміст полягав у доборі кращих рослин за ознаками початка, об’єднання насіння від них і посів від них насіння для вирощування наступного покоління. Так створено значне число видатних сортів кукурудзи, які також стали цінним вихідним матеріалом для селекції. Однак в наступному було встановлено, що великих досягнень по врожайності при використанні цього метода досягнути неможливо. Тому в 90-х роках Х1Х сторіччя розробили початкорядний метод, або індивідуальний добір. Проводили добір кращих качанів і висівали насіння від них окремими рядками, оцінюючи нащадків. Цей метод також виявився малоефективним при селекції на врожайність.

Значним кроком вперед став метод міжсортової гібридизації, при використанні якого виключалося вплив інбридингу і враховувалися ознаки батьківських форм. Аналіз урожайності міжсортових гібридів показав, що її збільшення порівняно з батьківськими сортами, як правило, незначне і рідко досягає 15 – 20%.

Найбільший ефект гетерозиса був встановлений при схрещуванні самозапильних ліній кукурудзи. Це відкриття поклало початок використання метода міжлінійної гібридизації – основного напрямку селекції даної культури.

Селекція гібридної кукурудзи в останні десятиліття досягла значних успіхів. Кращі сучасні гібриди перевищують старі сорти по врожаю зерна на 100% і більше.

Для створення гетерозисних гібридів кукурудзи за вихідний матеріал використовують смозапильні лінії. Тому перший етап в селекції на гетерозис – одержання самозапильних ліній.

Існує низка методів, що застосовуються для цих цілей, серед них найбільш розповсюджений стандартний метод. Суть його полягає в проведенні самозапилення рослин протягом шести-семи поколінь, яке сполучається з добором ліній за комплексом цінних ознак. Лінії S₆ – S₇ достатньо однорідні за морфологічними ознаками.

У перший рік роботи проводиться самозапилення в об’ємі, який визначається генетичними особливостями вихідного матеріалу. При закладанні ліній на міжлінійних гібридах піддають самозапиленню 20 – 50 рослин. а при використанні сортів, міжсортових, сортолінійних гібридів, синтетиків – 100 - 200 рослин, щоб охопити можливо більше число біотипів популяції. В S₀ вибраковують небажані рослини і початки. На другий рік від кожного самозапиленого качана висівають 25 – 30 зерен на один рядок і проводять самозапилення кращих п’яти-восьми рослин. Після проведення роботи для подальшої роботи залишають три-п’ять кращих початків.

На теретій рік від кожної сім’ї висівають насіння трьох-п’яти початків окремими рядками. Проводять браковку і на кращих рядках самозапилюють рослини з наступним добором трьох-п’яти початків на цих ділянках.

У наступні роки (4, 5, 6 і 7-й) продовжують самозапилення кращих рослин і добір до того часу, поки не настане вирівняність за ознакми рослини і качана.

Паралельно з створенням ліній стандартним методом проводять оцінку їх комбінаційної здатності (КС) або тестування, тобто схрещування з тестером- аналізатором. При штучному запиленні ізолюють жіночі суцвіття до появи маточкових ниток. Попередньо верхівку листків обгортки зрізують, щоб забезпечити більш рівномірний вихід маточок.

Чоловічі суцвіття волоті ізолюють під час появи пиляків на центральній вісі. Як правило, через 2 дні спостерігається вихід маточкових ниток. Ізоляцію проводять не менше ніж за 24 год до запилення, щоб пилок, потрапивши на волоть з інших рослин, втратив життєздатність.

У день запилення, яке краще виконувати в ранніші години після спадання роси, збирають пилок з волоті. Якщо погода пасмурна і вологість повітря підвищена, то запилення можна проводити протягом усього дня. Для цього волоть з ізолятором нахиляють в бік і струшують декілька разів, щоб пилок потрапив на дно ізолятора, і потім знімають його з волоті. Ізолятор з пилком опускають на початок, з якого перед цим знімають ізолятор, запобігаючи потраплянню на приймочку пилку з інших рослин. Потім ізолятор, переміщений з волоті на початок, обережно струшують, розпилюючи пилок на приймочки маточок. Після запилення ізолятор закріплюють на стеблі.

Опрацьований і застосовується в селекційній практиці так званий кишинівський спосіб одержання самозапильних ліній, при якому волоть і початок поміщають під загальний ізолятор. Для цього волоть перед цвітінням згинають, щоб наблизити його до качана, і обидва суцвіття поміщають в ізолятор, який нагадує за формою рукав. У цьому випадку виключається необхідність переносу ізолятора з волоті на початок.

При використанні стандартного метода з вільнозапилюваних сортів у кукурудзяносіючих країнах були створені лінії, які звуться лініями першого циклу. Значне число таких ліній до цього часу широко використовується в селекції і входять до складу комерційних гібридів.

У наступному кращих результатів було досягнуто, коли за вихідний матеріал для започаткування ліній почали застосовувати прості або подвійні високогетерозисні міжлінійні гібриди. Створені таким чином лінії називають лініями другого циклу. Передумовою для використання цього метода є наявність високоврожайних гібридів, а також генетичні відмінності їх батьківських ліній за походженням.

Кумулятивна селекція як метод знайшов застосування для одержання покращених ліній. Самозапильні лінії, створені стандартним методом, випробовують на комбінаційну здатність після S₃ – S₅ і добирають кращі. Відібрані лінії схрещують між собою. Одержані від цих схрещувань гібридні рослини знову самозапилюють протягом трьох-п’яти поколінь з використанням стандартного метода і схрещують з тестером для визначення комбінаційної здатності. Схрещування і самозапилення кращих за комбінаційною здатністю ліній повторюють декілька разів, завдяки чому відбувається накопичення генів, які визначають високу врожайність. Таким чином можна одержати видатні лінії – батьківські форми високогетерозисних гібридів.

Метод насичуючих схрещувань використовують у селекційній роботі з метою покращення існуючих ліній за низкою ознак, наприклад вмісту білка, лізину, олій в зерні, стійкості до деяких шкодочинних хвороб.

Найбільшу ефективність метод насичуючих схрещувань може дати, якщо ознака, за якою покращується лінія, спадкується моногенно. Лінію – донор цінної ознаки схрещують з лінією, яку необхідно покращити. Одержані рослини першого і наступних поколінь знову схрещують з покращуваною лінією, яка обирається як батьківська форма. Насичуючі схрещування проводять 5 – 6 років. При цьому після кожного насичуючого схрещування добирають рослини, подібні з рекурентною лінією і які мають цінні ознаки, за якими їх покращують.

Якщо ознака, за якою покращують лінію, спадкується рецесивно, то одночасно з насиченням виконують контрольне самозапилення. Для наступної роботи відбирають лінії, які несуть в генотипі бажані гени. Після п’яти-шести насичень проводять самозапилення для закріплення в лінії нових ознак.

При використанні цього метода створюють високолізинові аналоги, ліні з еректоїдним типом листя і ін. Метод насичуючих схрещувань можна застосовувати з метою підвищення продуктивності ліній, для цього достатньо провести два-три схрещування з наступним добором по продуктивності і фенотипічній подібності з покращуваною лінією. Добір надійного донора бажаної ознаки і визначення необхідного числа насичуючих схрещувань дає змогу створювати нові лінії, які, не поступаючись вихідній за комбінаційною здатністю і низкою інших цінних ознак, перевищуватиме її за покращуваною ознакою.

Метод гаплоїдії дає можливість прискореного одержання гомозиготних ліній за два роки. Робота по створенню таких ліній складається з двох етапів: 1) одержання і виділення гаплоїдів; 2) диплоїдізація гаплоїдів.

Гаплоїди одержують шляхом схрещування спеціально підібраних вихідних ліній, що мають підвищену схильність до гаплоїдного партеногенезу, а за джерела пилку – маркери Чейза (американський генетик, який вперше опрацював метод гаплоїдії для одержання самозапилених ліній кукурудзи), які несуть домінантні ознаки забарвлення корінців або рослини.

За маркер використовують Коричневий тестер (aBPlCR-gLg3) і Пурпуровий тестер (ABPlCR-g), які визначають у маркованого матеріалу пурпурове або синє забарвлення алейронового шару і пурпурове забарвлення корінців паростків. Маркер пурпурової плюмули (APulPu2) мають лише одну сигнальну ознаку – забарвлену в пурпуровий колір одну з частин зародка – бруньку (плюмулу). Найбільш ефективним маркером є сигналь пурпурового зародка (ACR-njpr). При запиленні ліній пилком цього маркера утворюються насінини з забарвленими насінинами, а гаплоїди виділяють по незабарвленому зародку і забарвленому алейроновому шару. В інших випадках гаплоїди можна визначити по відсутності забарвлення зародкових корінців у пророслих насінин. У наступному число хромосом у передбачуваних гаплоїдів контролюють цитологічно на зафіксованих кінчиках корінців.

Найбільші труднощі пов’язані з дипоїдізацією гаплоїдів одержанням від них самозапилених нащадків. Спонтанне подвоєння хромосом відбувається надзвичайно рідко. Найбільш розповсюджений спосіб подвоєння хромосом - обробіток гаплоїдних рослин розчином колхіцину в концентрації 0,1 – 0,2%. Проводять дворазову ін’єкцію в зону вище точки росту з використанням медичного шприца. Рослини оброблюють у фазі двох-трьох або трьох-чотирьох листочків у теплиці або в полі. При цьому частина рослин гине, в інших не відбувається подвоєння хромосом і лише в деяких відновлюється диплоїдне число хромосом. Однак кількість рослин, які утворили насінини після самозапилення, ще менша, тому часто проявляється стерільність або волоть зовсім не утворюється.

Наступного року автодиплоїдні лінії включають в тестерні схрещування для визначення комбінаційної здатності.

Рекурентний (періодичний) добір передбачає використання повторних рекомбінацій, які одержують від схрещування відібраних кращих генотипів з метою підвищення концентрації бажаних генів в популяції. Створені таким чином покращені популяції різних циклів використовують перш за все як джерела нових покращених самозапильних ліній, а в окремих випадках і безпосередньо для вирощування.

Схема рекурентного добору представлена на малюнку 8. Вихідною популяцією для

Вихідна Синтетик

пуляція першої рекомбінації

С₀ С₁

Перехрещення Перехрещення

кращих сімей кращих сімей

S₁ S₂

Випробування Випробування

(тестер х S₀ ) (тестер х S_oc1)

Проведення рекурентного добору можуть використовуватися вільнозапилюваний сорт, гібрид (простий, подвійний і т.д.) і інші селекційні матеріали.

У перший рік окремі рослини вихідної популяції (С₀), що відібрані за господарсько цінними ознаками, підлягають самозапиленню і одночасно схрещуються з тестером. При цьому частину пилку наносять на свій початок, а іншу використовують для запилення декількох рослин тестера. Випробовувана рослина може використовуватися за материнську, якщо вона має два качана: один використовують для самозапилення, другий – для тестерного схрещування.

В наступному році вирощують нащадків від тестерних схрещувань (тестер х S₀) і випробовують їх на врожайність, виділяючи таким чином кращі лінії.

Насіння ліній (S₁) висівають на третій рік для одержання синтетика двома способами: 1) складають суміш з однакової кількості насіння кращих ліній для вільного перезапилення; 2) кращі лінії висівають на окремих рядках і вручну проводять схрещування в усіх можливих напрямках за діалельною схемою.

Одержане тим чи іншим способом насіння змішують в однакових кількостях і висівають наступного року. Цикл селекції може продовжуватися 4 роки, якщо в перший рік роботи рослини самозапилюють, а в наступному році проводять схрещування нащадків (S₁) з тестером. Для одержання насіння синтетика-рекомбінанта можна використовувати теплиці, в цьому випадку на один цикл селекцій необхідно всього два роки.

Рекурентний добір на загальну комбінаційну здатність (ЗКЗ) і специфічну комбінаційну здатність (СКЗ) схематично не має відмінностей. Різняться лише використовувані тестери. Наприклад, при доборі на ЗКЗ тестером використовується відносно стійка гетерогенна популяція з широкою генетичною основою, оскільки в основі добору на ЗКЗ проявляються адитивні генетичні ефекти. Найкращим тестером для оцінки СКС використовується константна самозапилена лінія (в окремих випадках простий гібрид), що пов’язано з неадитивними генетичними ефектами, які обумовлюють гетерозис, в тому числі і наддомінування.

При використанні рекурентного добору на ЗКЗ після двох-трьох циклів збільшується середня врожайність синтетика. Це збільшує вірогідність добору з синтетика продуктивних ліній порівняно з добором з вільнозапилюваних сортів.

Рекурентна селекція на ЗКЗ найбільш ефективна, якщо покращують популяцію для добору ліній, які будуть використані при створенні гетерозисних гібридів: простих – від схрещування кращої лінії з тестером, трьохлінійних – при використанні двох кращих самозапилених ліній в простому гібриді, який потім схрещують з тестером. Слід мати на увазі, що на результативність метода впливають умови і місце вирощування.

Метод рекурентного добору широко застосовують в селекції кукурудзи. Як приклад можна навести результати роботи по покращенню популяції сорту Шиндельмайзер (материнська форма сортолінійного гібрида Дніпровський 247 МВ), проведений на Синельніківській селекційно-дослідній станції. Один цикл рекурентного добору на СКЗ дав змогу створити нову популяцію сорта Шиндельмайзер, покращену за врожайністю і іншими ознаками. Одночасно метод виявив позитивну дію і на гібрид Дніпровський 247 МВ.

В залежності від ознаки, на якій проводиться селекція, використовують рекурентний добір по фенотипу. Він найбільш простий, оскільки не потребує тестування. Кращі генотипи виділяють за ознаками, величина яких може бути визначена в рік добору. Цей метод застосовують при селекції на стійкість до хвороб і шкідників, до вилягання і ламкості стебла, на висоту прикріплення качана, підвищення вмісту олії і інших речовин в зерні. Фенотипічний рекурентний добір проводять з метою створення двопочаткових ліній. При застосуванні метода рекурентного добору по фенотипу виділені рослини самозапилюють, а на наступний рік кращі нащадки S₁ схрещують між собою з метою одержання нових рекомбінацій. Насіння від таких схрещувань змішують і висівають на загальній ділянці (С₁). Популяція С₁ є джерелом для виділення ліній по бажаній ознаці. Такі цикли повторюються до тих пір, поки ознака не досягне максимального значення.

Реципрокний рекурентний добір застосовують для збільшення генетичної різноманітності матеріалу, який використовується для отримання ліній. Для роботи підбирають дві різноманітні в генетичному відношенні популяції (два сорта, синтетика або простих гібрида). По кожній популяції закладають самозапилені лінії і схрещують їх з тестером. Для рослин групи А тестером використовується популяція В, і навпаки. При цьому пилок від кожної самозапиленої рослини наносять на приймочку маточки чотирьох-п’яти випадково відібраних рослин тестера.

На другий рік роботи випробовують дві групи тестерних гібридів: тестер-популяцію

А х S₀B і тестер-популяцію В х S₀A. Наступного року насіння кращих самозапилених ліній по кожній популяції, яка виділилася після випробування, висівають початкорядним способом і схрещують в усіх можливих комбінаціях. В результаті одержують нові популяції А₁ і В₁, які використовують для проведення наступного цикла селекції. Лінії, що виділилися в кожному наступному циклі добору, поступово покращуються. В популяціях підвищується концентрація сприятливих алелів, які забезпечують прояв наддомінування при схрещуванні ліній, що відібрані з цих популяцій.

Метод реципрокного рекурентного добору в більшості випадків виявився ефективним. Реципрокна рекурентна селекція була успішно використана при розробці програми створення подвійного міжлінійного гібрида на основі найбільш гетерозисного міжсортового гібрида.

З метою подальшого покращення ліній розвивається напрямок по використанню індукованого мутагенезу. Опрацьовані методи мутагенної дії фізичним і хімічними чинниками. При використанні гамма-опромінення обробляють сухе насіння ліній, сортів і гібридів дозою 100 – 200 Гр, недозрілі волоті за 4 – 5 днів до висипання пилку – 12 – 15 Гр і пилку – 30 – 45 Гр.

З хімічних мутагенів широко використовують нітрозоетілсечовину (НЕС), нітрозометилсечовину (НМС), нітрозодіметилсечовину (НДМС), 1,4-біс-діазоацетілбутан (ДАБ) і ін.

В результаті використання експериментального мутагенеза одержані мутанти кукурудзи, які зачіпляють різноманітні ознаки: форми з високою продуктивністю, підвищеним вмістом білка, лізина і триптофана, скоростиглі, а також стійкі до хвороб і шкідників і т.д. Встановлено, що індукування мутацій при селекції на стійкість більш перспективно порівняно з методом насичуючих схрещувань, при якому можуть переноситися небажані ознаки від інших генотипів.

В селекційних установах з участю мутантних ліній створено низку експериментальних гібридів. В Інституті фізіології і генетики НАН України і на Черкаській дослідній станції вперше був створений і внесений в Реєстр гібрид Ювілейний 60, до складу якого входить лінія ЧК 218, що одержана методом хімічного мутагенеза.

Одним з джерел одержання різноманітного і цінного матеріалу для селекції є міжродова гібридизація кукурудзи з теосінте і трипсакумом. Гібриди від віддалених схрещувань з наступним насичуючим схрещуванням, смозапиленням і добором можуть використовуватися для генетичного покращення кукурудзи.

Найбільших успіхів досягнуто при схрещуванні кукурудзи з теосінте. З таких популяцій відібрані лінії, які перевищують вихідні форми за вмістом білка в зерні, врожайності, числу початків на рослині і обливленності.

Гібридизація з тріпсакумом проводиться з метою передвчі кукурудзі деяких цінних особливостей цієї рослини: холодостійкості, високого вмісту білка, кущистості і стійкості до хвороб. Вивчається також можливість надати кукурудзі здатності до регулярного апоміктичного розмноження, яка б дала змогу закріпити ефект гетерозису в ряду послідовних поколінь і здешевити виробництво насіння. Опрацьовані прийоми для подолання несхрещуваності цих культур. Так, при запиленні кукурудзи пилком тріпсакума попередньо підрізають стобчики, щоб пилкові трубки могли досягати зародкових мішків.

При схрещуванні кукурудзи з T. dactyloides (2n = 36) одержані стерільні 28-хромосомні гібриди. Після проведення насичуючих схрещувань і самозапилення у 20-хромосомних нащадків таких рослин проявилдися деякі ознаки тріпсакума, що вказує на обмін ділянками хромосом. В результаті схрещування T. dactyloides (2n = 72) з диплоїдною кукурудзою (2т = 20) одержали 46-хромосомні гібриди, а з тетраплоїдною (2n = 40) – 56-хромосомні. При повній чоловічій стерільності ці гібриди мають достатньо повну жіночу фертильність. Запилення F₁ таких гібридів пилком кукурудзи різної плоїдності дає різноманітних нащадків по числу хромосом, яке обумовлено також значним числом нередукованих яйцеклітин.

В результаті від міжродових схрещувань кукурудзи з тріпсакумом одержано низку продуктивних кукурудзоподібних фертильних гібридів, з яких виділені лінії з високою комбінаційною цінністю. Крім того, від T. dactyloides вдалося передати кукурудзі ген стійкості до іржі, а від Т. floridanum – до північного гельмінтоспоріозу. Досліджується можливість передачі кукурудзі стійкості до пухирчастої сажки і стеблових гнилей.

Поліплоїдія. В світовій практиці тетраплоїдна кукурудза вперше була одержана в 1932 р., а в Україні роботи по створенню таких форм почали проводитися з кінця 50-х рр. з метою використання їх для закріплення гетерозиса. Відомо, що в тетраплоїдів (4х) у другому і наступних поколіннях виходить великий відсоток гетерозигот, це і забезпечує збереження ефекта гетерозиса. Однак за продуктивністю 4х-форми кукурудзи і їх гібриди поступаються вихідним формам на диплоїдному рівні. Основною причиною зниження продуктивності тетраплоїдної кукурудзи є погана озерненість качана як наслідок хромосомної незбалансованості. В мейозі, крім бівалентів, спостерігається тетраваленти і уніваленти з утворенням анеуплоїдних гамет. Поліплоїдія у кукурудзи використовується при проведенні міжродових схрещувань.

Для цілей селекції почали опрацьовуваться методи культури ізольованих органів, тканин, клітин і протопластів, а також способи мікроклонального розмноження для збереження цінних генотипів.

Встановлено, що при культивуванні андрогенетичних рослин кукурудзи з пиляків регенерація відбувається з недиференційованого каллуса або безпосередньо з мікроспор при утворенні ембріонів.

Показана можливість використання метода культури тканаин для одержання форм кукурудзи, стійких до південного гельмінтоспоріозу раси Т, при вирощуванні культури клітин на селективному середовищі з Т-токсином.

Поряд з продуктивністю, стійкістю до вилягання, хвороб і шкідників і інших ознак найбільш важливою характеристикою самозапильної лінії є комбінаційна цінність, яку визначають за здатністю давати при схрещуванні з іншими лініями високогетерозисних нащадків. Ця здатність зразків обумовлена генетично і може бути виражена загальною комбінаційною здатністю і специфічною комбінаційною здатністю.

Оцінку комбінаційної здатності ліній в процесі створення їх стандартним методом переважно розпочинають з S₃ – S₄. Дослідженнями доведено, що вивчення ліній на комбінаційну здатність у ранніх поколіннях інбридингу (S₁) дає можливість до S₅ – S₆ виявити перспективні гетерозисні комбінації Використання цього прийома дає змогу значно прискорити селекційний процес. Результативність роботи в значній мірі залежить від вибору тестера. В зв’язку з тим, що тестери є батьківськими компонентами майбутніх гібридів, вони повинні мати високу комбінаційну здатність, високу продуктивність, стійкість до несприятливих умов зовнішнього середовища.