Генетична мінливість жита за морфологічними ознаками. Донори короткостеблості жита

Генетична мінливість жита за морфологічними ознаками

Оцінюючи мінливість за морфологічними, структурними ознаками, слід перш за все звернути увагу на зміни типу рослин, які зачіпляють цілий комплекс ознак. Такими є карликові форми. Одна з карликових форм була знайдена генетиками з Санкт-Петербургського університету в посівах сорту В’ятка Московська (біля 80 рослин) і одержала позначення compactum (Федоров і ін., 1967). Рослини цього типу характеризуються скороченими міжвузолами стебла і члениками колоса, що призводить до зменшення довжини стебла і колоса і до збільшення щільності колоса. Укорочені листові пластинки розміщуються „сторчаком”, колоси мають надто короткі вустюки або вони виявляються майже повністю безостими, а вкорочені зернівки за формою більше нагадують пшеничні, ніж житні. Подібні рослини виділяли в інбредних нащадків В.І. і В.Ф. Антропови, і позначили їх як „пшеничемй тип”. Аналогічні рослини були знайдені Ф.Т. Кондратенко (1967) у тому ж сорті В’ятка Московська і пізніше були названі Московським карликом. Подібні короткостеблі безості рослини виділяли Сібенга і Праккен (Sybenga, Prakken, 1962).

Другий тип карликовості в жита описаний С.А. Кунакбаєвим (1969, 1970). Він виділив у сорті Саратовка чишминська, низькостебельні рослини, які сильно кущаться, з більшою кількістю вузлів і листя на стеблі. У деяких рослин спостерігалося розгалудження стебла, з верхніх вузлів, в результаті чого на одному стеблі утворювалося багато дрібних колосів. Рослини мають дуже короткі міжвузоли, так що незважаючи на їх більшу кількість (9 – 11 і більше, при 4 – 6 у рослин стандартного типу), довжина стебла на 35 – 40% менше, ніж у рослин нормального типу. Крім того, характерною особливістю цих рослин є різко зменшені розміри листових пластинок – вони значно коротші і по меншій мірі вдвічі вужчі, ніж у рослин стандартного типу. Ця форма в літературі позначається як Башкирська карликова. Формування великого числа вузлів стебла і багаточисельних вузьких листків при різко зменшеній довжині стебла – ця особливість характерна для рослин даного типу. Така форма короткостеблості одержала назву multinodosum. Виявилося, що форми compactum i multinodosum мають на 10 – 30% менший об’єм кореневої системи. Вищеплення карликових рослин в інбредних нащадків рослин з різноманітних популяцій жита спостерігали багато дослідників, однак ці форми не були ними описані достатньо детально.

У жита описані короткостеблі форми, які характеризуються нормальною структурою колоса. В.Д. Кобилянський (1970, 1971, 1973) знайшов короткостеблу форму жита (позначену ним як ЕМ-1 – „естественный мутант 1”), яка має скорочені міжвузоли – загальна довжина стебла в цієї форми зменшена приблизно на 40% порівняно з рослинами стандартного типу. Однак розміри колоса в короткостеблих рослин дещо більші, для них характерна значно більша ширина листових пластинок. Корткостеблі рослини цього типу довше затримуються в фазі простратної розетки, навіть в фазу виходу в трубку стебла ще не повністю набувають вертикального напрямку. Даний тип рослини виявився характерним для одного з зразків колекції ВІР – місцевого жита з Болгарії (номер каталога к-10028).

При схрещуванні короткостеблих донорів ЕМ-1 і к-10028 з високорослими сортами встановлено домінантний моногенний тип спадкування короткостеблості (3 : 1). Контроль висоти рослин донорів домінантної короткостеблості ЕМ-1 і к-10028 визначається впливом адитивних генів (h² = 0,50 – 0,73). На фоні дії домінантного гена короткостеблості Hl, діють від 14 до 16 модифікуючих адитивних генів висоти рослин. При схрещуванні донорів домінантної короткостеблості ЕМ-1 і к-10028 висота гібридів F1 зменшувалася, в залежності від материнської форми, від 5 до 58% відносно високорослого компонента. Зменшення висоти рослин в F1 відбувалося за рахунок скорочення всіх міжвузолів і особливо підколосового.

Використання в схрещуваннях донорів домінантної короткостеблості призводить до збільшення продуктивної кущистості, довжини колоса, числа квіток і зерен у колосі, що є безумовно позитивним явищем для збільшення продуктивності рослини. Але при цьому зменшується маса 100 зерен з рослини, озерненість, маса зерна з колоса і рослини. Стратегія генетичного вдосконалення озимого жита з залученням донорів домінантної короткостеблості будувалася на основі використання прямих і переривчастих насичуючих схрещувань, ступінчастих і конвергентних схрещувань з донорами відповідних селекційних ознак (В.В. Скорик, 1979, 1986, 1994). За селекційною цінністю донор к-10028 має деякі переваги над ЕМ-1. Перший донор має більш високу озерненість колоса, масу 100 зерен з рослини, менш сприйнятливий до борошнистої роси і особливо до кореневих гнилей.

Залучення до генетичних програм вдосконалення озимого жита донорів домінантної короткостеблості відкрило реальні перспективи створення стійких до вилягання сортів. При використанні донорів домінантної короткостеблості виявилися практичні труднощі з виділенням і добором константних короткостеблих форм жита. При завершенні конвергентних насичуючих схрещувань необхідно одержати короткостеблі рослини з комплексом бажаних ознак, які не рощіплюватимуться по висоті рослин.

Негативним рекурентним добором найкороткостебліших рослин у варіаційному ряду за висотою рослин протягом п’яти циклів вдалося створити гомозиготну по гену HlHl короткостебельну популяцію озимого жита.

За 33 генерації спрямованої рекурентної селекції найкороткостебліших генотипів популяції F3 к-10028 х Саратовське 4 висота рослин з 119,33 см у 1974 р. зменшилася до 26,31 см у 2005, що становить різницю 93,02 см. Спрямованим рекурентним добором вдалося в 4,53 рази зменшити висоту стебла озимого жита на фоні домінантного гена короткостеблості Hl. Спрямованим добором створено новий донор домінантної короткостеблості Гном 3. Під впливом дії добору виявився перебудованим фотосинтетичний апарат суперкороткого жита Гном 3. Форма куща до виходу рослин в трубку набула розложистої форми, з гострим відхиленням листа.

Цитологічні дослідження чисельності і конфігурації хромосом в анафазі другого мейотичного поділу чоловічого гаметофіту не виявили помітного збільшення аномалій, порівняно з вихідною популяцією.

33 цикли рекурентної селекції за довжиною стебла призвели до зменшення довжини колоса, числа квіток, зерен, маси зерна з колоса, рослини, маси 100 зерен і числа зародкових корінців порівняно з вихідною популяцією. В нового донора суперкороткостеблості ймовірно збільшилася продуктивна кущистість. Використання в селекційних програмах донора суперкороткостеблості Гном 3 не передбачає генетично неподоланих труднощів поєднання бажаних цінних ознак у гібридних нащадків.

При схрещуванні суперкороткого жита Гном 3 з високорослим зразком ВПК, спостерігалося повне домінування короткостеблості. В F2 виявлено класичне моногенне розщеплення 3 : 1. На фоні домінантного гена короткостеблості встановлений ефект дії 4 – 6 модифікуючих алелів висоти рослин.

На Носівській слекційній дослідній станції створені нові донори домінантної короткостеблості Гном 1 – з висотою рослин 80 – 90 см; Гном 2 – 50 – 60 см і Гном 3 - з висотою менше 30 см. В діалельних схрещуваннях у межах вказаних донорів встановлено домінування висоти рослин в наступному порядку Гном 3 > Гном 2 > Гном 1.

Залучення до генетичних програм вдосконалення озимого жита донорів домінантної короткостеблості відкрило перспективи створення стійких до вилягання сортів. В основу селекційних програм було покладено використання насичуючих схрещувань високоврожайних але довгостебельних сортів з донорами домінантної короткостеблості і одержання гомозиготних по домінантному алелю Hl синтетичних популяцій, які не розщіплюються за висотою рослин.

Технічне проведення насичуючих схрещувань полягало в наступному. В перший рік проводилися схрещування високорослих зразків (материнська форма) з донорами короткостеблості (батьківська форма). Надзвичайно великого значення надавалося підбору кожної рослини материнської і батьківської форми за комплексом бажаних ознак. Специфічність домінантного алеля гена супресора короткостеблості полягає в спроможності пригнічувати дію всіх мутацій гена або генів, які контролюють висоту стебла.

Батьківськими компонентами лише в перший рік схрещування добиралися кращі рослини в межах донорів короткостеблості спочатку – ЕМ-1, к-10028, а потім Гном 1, Гном 2 і поки що обмежено Гном 3. В наступних насичуючих схрещуваннях використовувалися кращі рослини гібридів ВС¹F1 – BC⁵F1. Застосування такої схеми насичуючих схрещувань давало цілковиту впевненість у гібридності нащадків в F1, а також можливість використання материнського ефекту, оскільки деякі селекційні ознаки проявляють його при схрещуванні. Крім того, при гібридизації можна було ефективно використовувати генетичну систему несумісності рослин материнського компонента. Щорічно за комплексом ознак ретельно підбиралися відповідні материнські рослини рекурентних форм, які розміщувалися на провокаційно-інфекційному фоні. Найкращі за комплексом ознак рослини індивідуально ізолювалися пергаментними ізоляторами.

Паралельно така ж робота проводилася з батьківським компонентом – у перший рік схрещувань це були вже вказані донори короткостеблості, а в наступному гібриди F1 відповідних насичуючих схрещувань. Для гібридизації колоси батьківських короткостеблиих рослин зрізувалися і підводилися під ізолятор з розміщенням їх вище рівня колосів високорослої форми, щоб батьківський пилок гарантовано потрапляв на приймочку маточки материнської квітки. Гібридність насіння перевірялася за фенотипічним проявом гена Hl рослин в F1. Враховуючи високу гетерозиготність і гетерогенність зразків жита по кожній рекурентній формі схрещувалося не менше 50 найкращих рослин. Щорічно одержувалася необхідна кількість насіння по 84 – 566 комбінаціях схрещування.

По кожній комбінації в F1 було одержано не менше 2000 насінин, які висівалися на жорстокому провокаційно-інфекційному фоні, де проводилася оцінка на стійкість до кореневих і стеблових гнилей, борошнистої роси бурої листової і стеблової іржі. Наявність великої кількості насіння F1 давало змогу проводити нещадну браковку рослин уражених цими хворобами, високорослих рослин з фенотипом hlhl, а також таких, що не відповідали стратегії селекції. Перед цвітінням жита залишалося не більше 10-15% найкращих гібридних рослин F1, які ретельно формувалися по типу рекурентних материнських зразків і повторно залучалися до насичуючих схрещувань, як батьківський компонент.

Для одержання короткостеблого сорта-аналога (F1А⁵ х В) необхідно проводити мінімум 5 насичуючих схрещувань з рекурентною батьківською формою. Завершуючим етапом роботи проведення насичуючих схрещувань по переводу високорослих зразків озимого жита на домінантну короткостеблість було одержання нерозщіплюваних по висоті популяцій з геном HlHl у гомозиготному стані.

Оскільки короткостеблість донора обумовлена домінантним геном Hl, у високорослого зразка-рекурента цей ген представлений рецесивним алелем у гомозиготному стані hl, то в F2 по фенотипу неможливо відрізнити гомозиготні рослини з генотипом HlHl від гетерозиготних – Hlhl. Нащадки останніх дають постійне вищіплювання в кожній генерації викостебельних гомозигот hlhl. Наівіть коли б систематично в кожній генерації вибраковувалися високорослі рослини і тоді в гібридній популяції навіть через 100 поколінь на кожні 100000 короткостеблих генотипів вищіплювалася б одна високоросла рослина – з генотипом hlhl.

Рослини з генотипом hlhl відрізняються за фенотипом і їх видаляють з коренем до початку цвітіння. Вибракувані рослини бажано подрібнити на цьому ж полі, оскільки навіть вирвані з коренем вони не втрачають життєзнатності і здатні утворювати колос і викидати пилок. Гетерозиготні рослини Hlhl в кожному поколінні здатні вищіплювати гомозиготи по рецесивному алелю високостебельності (hlhl), що надзвичайно утруднить досягнення константності домінантної короткостеблості (HlHl) в гібридній популяції.

На перший погляд, найбільш ефективним для гомозиготації домінантного гена короткостеблості буде застосування інбридингу. Але висока ступінь самонесумісності рослин озимого жита при самозапиленні робить цей метод гомозиготації мало перспективним. Крім того, одержані від самозапилення малочисельні рослини різко звужують гетерогенність усіх селекційних ознак гібридної популяції. В результаті інбридингу більшість селекційно цінних господарських ознак втрачаються, заради яких проводився добір у батьківських форм перед схрещуванням і тривалі насичуючі схрещування.

Для компромісного вирішення способу гомозиготації за домінантною ознакою висоти рослин у озимого жита було запропоновано використовувати метод генетичного аналізу. Гібридне насіння після останнього насичуючого схрещування висівалося на просторово ізольованих ділянках для вирощування F1, де гібридні рослини вільно перезапилювалися між собою. Проводилися всі раніше вказані браковки високорослих, хворих і взагалі рослин, що не відповідають завданням селекції. Короткостеблі рослини F1A^5-8B мали генотип HIHI і Hlhl. В F2 розщіплення відбувалося в співвідношенні – 1HlHl : 2Hlhl : 1hlhl. За фенотипом короткостеблі рослини з генотипом HlHl i Hlhl не відрізняються між собою.

В.Д. Кобилянський (1974) запропонував метод визначення і підбору короткостеблих рослин у популяцій , що розщіплюються з використанням аналізуючи схрещувань. Суть метода полягає в спрямованому перезапиленні під ізоляторами двох кращих короткостеблих рослин і паралельному проведенні аналізуючих схрещувань у другому і наступних поколіннях після останнього насичуючого схрещування. Для збільшення вірогідності виділення двох гомозиготних по домінантному алелю висоти одну рослину ділять на дві частини і залучають до перезапилення її з двома короткостеблими рослинами. Під час цвітіння колосся кожної пари ізольованих рослин взаємно перезапилювалися, а на 1 – 2 колосах проводили кастрацію і залишали для вільного перезапилення в оточенні високорослих (hlhl) генотипів.

Зібране насіння з ізольованих рослин висівалося окремими парами, а насіння з кастрованих колосків від вільного запилення під тими ж номерами висівалося окремо по кожній рослині у так званому „індикаторному розсаднику” без дотримання ізоляції.

На початку фази колосіння, коли фенотипічно проявляється генотип hlhl, у індикаторному розсаднику відмічали тих нащадків, де всі рослини були короткостеблими. Це свідчить про те, що їх батьки гомозиготні за домінантними алелями HlHl. Аналоги таких пар на ізольованих ділянках добиралися як гомозиготні і використовувалися як вихідний матеріал для наступних більш витончених селекційних маніпуляцій.

Перший рік	Другий рік
Перезапилювані пари рослин	Фенотип рослин	Генотип рослин
HlHl + HlHl Х hl X hl	Гомозиготні короткі Гетерозиготні короткі Гетерозиготні короткі	1 HlHl : 1 HlHl Hlhl Hlhl
HlHl + Hlhl X hl Х hl	Гомо- і гетерозиготні корткі Гетерозиготні короткі + високі Гетерозиготні короткі	1 HlHl : 1 Hlhl 1 Hlhl : 1 hlhl Hlhl
Hlhl + Hlhl X hl X hl	Гомо-, гетерозиготні і високі Гетерозиготні і високі Гетерозиготні короткі і високі	1 HlHl : 2 Hlhl : 1 hlhl 1 Hlhl : 1 hlhl 1 Hlhl : 1 hlhl

Схема виділення константних форм короткостеблого жита з використанням

аналізуючих схрещувань

Практичне використання метода аналізуючих схрещувань при гомозиготації домінантно короткостеблого матеріалу показало високу ефективність. На жаль, і при такій гомозиготації в жита втрачається надзвичайно багато тих цінних селекційних ознак, які так довго і цілеспрямовано комбінувалися при підборі вихідного матеріалу для насичуючих і ступінчастих схрещувань.

Поряд з використанням інбридингу і сібзапилення, застосовується метод концентрації гена HlHl у вихідній короткостеблій популяції. Суть його полягає в тому, що після останнього насичуючого схрещування насіння ВС⁵F1 висівається на просторово ізольованих ділянках в умовах штучного стресового природнього добору. Після перезимівлі вражені сніговою пліснявою (Fusarium nivale) рослини вибраковуються. В період виходу рослин жита в трубку при штучному зараженні фенотипічно проявляються гомозиготні рослини з генотипом erer, а під час колосіння гетерозиготні – Erer, вражені борошнистою росою (Erysipha graminis), які вириваються з коренем і виносяться з ізольованої ділянки. Під час колосіння фенотипічно проявляється рецесивний генотип hlhl, який визначає високостеблість. Особливістю високорослого генотипу є довге підколосове міжвузля. Рослини з найменшими проявами захворювання на снігову плісняву, борошнисту росу, буру та стеблову іржу, високостебельні, а також такі, що не відповідають жорстким вимогам селекційної програми, вибраковуються до початку цвітіння. Практичний досвід переконливо доводить справедливість дуже жорстокої вибраковки рослин починаючи з F1BC^5-8, чим вдається уникнути переобтяження безперспективним селекційним матеріалом на початкових етапах селекції.

Збирання рослин проводилася виключно вириванням їх з коренем. При цьому відбувалася нещадна браковка рослин, що були вражені стебловими і кореневими гнилями, (Fusarium culmorum, F. oxisporum, F. avenaceum і т.д.). При збиранні з коренем стебла хворих рослин на вказані грибкові захворювання обривалися, а тому відповідно, не потрапляли до лабораторного аналізу і не могли бути відібраними для репродукування.

Перед обмолотом рослин визначалися висота, продуктивна кущистість, довжина колоса, число квіток, зерен, озерненість і щільність колоса, а після обмолоту – маса зерна з рослини, колоса і маса 100 зерен з рослини. Для визначення потужності первинної кореневої системи по 50 зерен з елітної рослини пророщувалося в склопоролонових касетах в статичних умовах (термостат при 22⁰С).

Селекційні розсадники по кожній гібридній комбінації формувалися методом послідовних виключень. В наступний селекційний цикл селекції потрапляли лише рослини, висота яких не перевищувала 110 см. У межах таких рослин добиралися генотипи з масою 100 зерен більше 4,0 г, масою зерна з колоса більше 2,0 г, озерненістю колоса більше 92% і так послідовно за всіма вище вказаним ознаками. Таким чином, від загальної кількості обмолочених рослин у наступний цикл селекції потрапляло менше одного відсотка елітних рослин. На ізольованій ділянці створювалися умови для ефективної панміксії.

Насіння рослин з однієї сім’ї, які не потрапляли до наступного селекційного циклу, використовувалися для попереднього визначення врожайності зерна з ділянки в порівняльному сортовипробуванні з обліковою площею 10 м² з використанням повторень.

Таким чином, у кожній генерації відбувалася концентрація бажаних адитивних генів за комплексом агрономічних ознак. В залежності від завдань селекції, кількість циклів рекурентного добору за комплексом ознак проводилася, до тих пір поки не досягалася врожайність зерна ділянки на рівні або вище інтерпольованого стандарту.