СПОСОБ СЕЛЕКЦИИ ОЗИМОЙ РЖИ Российский патент 1997 года по МПК A01H1/04 

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности к селекции зерновых культур, например озимой ржи, и может быть использовано в селекции этих и других растений на морозостойкость, засухоустойчивость и другие показатели.

Известны способы оценки морозо- и зимостойкости озимых зерновых культур, предусматривающие использование провокационного фона в виде приподнятых над уровнем земли гряд, стеллажей или камер низких температур [2,5,6,14,16,17]
Недостаток указанных способов в том, что низкотемпературный фон применяется только для оценки сортообразцов и последующей их дифференциации по степени морозо- и зимостойкости.

Известны способы создания морозо- и зимостойких форм ржи, основывающиеся на получении гибридов, материнской формой у которых служит сорт с ярко выраженным свойством данного признака [2,8,14] Как правило, эталонами морозо- и зимостойкости являются местные сорта ржи западно- и восточно-сибирской экологических групп, адаптированные к суровым климатическим условиям. Привлечение их в гибридизацию сопровождается повышением у гибридов адаптивности, однако наряду с этим, появляется ряд нежелательных характеристик рыхлоколосость, мелкозерность и др. Необходим длительный селекционный процесс, направленный на сочетание в одном генотипе высокой продуктивности и адаптивности к условиям зимовки.

Известны способы оценки морозостойкости сортов по биохимическим показателям, коррелятивно связанных с морозостойкостью [10,11,13] Использование косвенных показателей вероятного характера не позволяет в полной мере судить об уровне морозостойкости изучаемых образцов.

В естественных условиях в наиболее неблагоприятные по перезимовке годы и при массовой гибели озимых возможна оценка и отбор растений по данному признаку. Таким путем удается получить значительный сдвиг популяции в сторону повышения ее зимостойкости [19] В последующих поколениях, однако, эффективность однократного отбора падает, то есть необходим многократный отбор, который не всегда удается осуществлять в естественных условиях, так как "экстремальные годы" проявляются не всегда подряд.

Известен способ отбора морозостойких биотипов на низкотемпературном фоне из гибридной комбинации рекуррент x донор высокой зимостойкости с последующим насыщающим скрещиванием рекуррентом и повторных отборов морозостойких растений из полученного беккроссного потомства (Л.И.Иванова. Роль провокационных фонов с использованием ряда физиологических показателей для отбора и оценки перспективных форм при селекции озимой ржи на зимостойкость. Автореф, дис. канд.с.-х. наук. Немчиновка, 1983, 17с. прототип).

Недостаток способа в том, что используется гибридная комбинация с донором зимостойкости, обладающего недостатками, указанными выше, и недостаточно принимается во внимание роль цитоплазматических факторов на проявление уровня морозостойкости.

Сущность изобретения выражается в создании морозостойкого, высокопродуктивного селекционного материала на основе внутреннего или межсортового скрещивания.

Результат достигается тем, что в качестве материнской используют форму с улучшенными цитоплазматическими генами, полученную путем непрерывного многократного массового отбора на провокационном фоне, а в качестве отцовской ту же форму, подвергавшуюся отбору на продуктивность в естественных условиях. Изменение цитоплазматических генов происходит под влиянием отборов на низкотемпературном фоне с интенсивностью 10-15% Свободное переопыление отобранных растений за счет рекомбиногенеза способствует закреплению действия цитоплазмы на уровень морозостойкости.

Сопоставительный анализ предлагаемого технического решения с прототипом показал, что предлагаемый способ отличается от известного тем, что создание морозостойких высокопродуктивных популяций ведется на основе адаптации цитоплазматических генов, закрепления их действия и вовлечения в рекомбинационную селекцию.

Изучение патентной и научно-технической литературы свидетельствуют о том, что вовлечение в рекомбинационную селекцию биотипов (форм) с измененными цитоплазматическими генами, способствующих повышению морозостойкости, является новым и в селекционной работе с зерновыми культурами не применялось.

Предлагаемый способ предусматривает использование известных сведений. Широко применяется низкотемпературный фон для оценки озимых на морозо- и зимостойкость [2,5,6,14,16,17] Эффективность оценки на нем селекционного материала заключается в независимости от естественных погодных условий и более четкой дифференциации сортов по уровню морозостойкости.

Тем не менее при благоприятных условиях перезимовки возникают затруднения в правильной оценке сортообразцов [9] поэтому предложено проводить оценку и отбор биотипов с учетом повреждения листьев по ярусам, интенсивности отрастания и регенерации корней [7,17,18] Применение таких критериев в течение трех циклов отбора с интенсивностью 10-20% позволило авторам на 29% повысить морозостойкость гибридной популяции озимой ржи.

Однако оценка интенсивности отрастания по общему приросту листьев не дает полной картины о функциональности биотипов, так как одинаковая оценка может быть дана растениям с различным числом погибших побегов, но одинаковым приростом, причем крупноклеточные биотипы по сравнению с мелкоклеточными более мощно отрастают, хотя по морозостойкости последние обычно лучше. Исходя из этого оценка интенсивности предварительно подрезанных на 1-1,5 см над уровнем земли растений проводилась с учетом числа погибших побегов по 5-бальной шкале. Перед уходом в зиму растения формировали в среднем 4-5 побегов, что позволяло четко дифференцировать их по способности отрастать всеми имеющимися побегами.

Вычисленные парные коэффициенты корреляции между процентом сохранившихся после перезимовки растений, оценка после схода снега, отрастания побегов, регенерации корней, числом регенерирующих узловых корней показали, что оценка отрастания побегов наиболее точный и доступный, менее трудоемкий критерий массовой оценки и браковки растений на стеллажах (табл.1)
Эффективность многократных массовых отборов на стеллажах с использованием предложенного критерия наглядно показана на тетраплоидной (табл.2) и диплоидной (табл.3) ржи. К тому же, наряду с более высокой морозостойкостью, новые популяции имеют и высокую продуктивность.

Особенно четкие различия между морозостойкими популяциями и популяциями-аналогами с естественного фона наблюдаются в критические по перезимовке годы. Например, в 1985г. (табл.2), когда температура на глубине узла кущения опускалась до -24 ^oC, сохранность растений после перезимовки у Искры-2 и Популяции 32-2 была 51,4 и 56,7% выше, чем у Искры и Популяции 32. Эти же популяции имели и значительно лучшее отрастание подрезанных побегов.

Более наглядно действие отборов на уровень морозостойкости дают данные сравнительного их изучения (табл.4). Высокая эффективность ежегодных отборов способствует значительному сдвигу популяции в сторону повышения уровня морозостойкости, не снижая при этом продуктивность.

Новая морозостойкая популяция формирует на базе растений с высокой (5,4 и частично 3 балла) оценкой отрастания побегов на стеллаже. Такой подход обоснован результатами изучения растений клонов с одинаковой оценкой на стеллаже и в полевых условиях (табл.5). Как правило, растения с высокой оценкой морозостойкости оказались и наиболее продуктивными. Тем не менее необходимо отметить, что высокопродуктивные растения в полевых условиях отмечены во всех группах оценок. То есть, чтобы ослабить отрицательную корреляционную зависимость между продуктивностью и зимостойкостью [20] необходимо сочетание жестких многократных отборов на провокационном фоне и свободного переопыления отобранных растений.

Под действием непрерывных жестких отборов на провокационном фоне происходит изменение ядерного и особенно цитоплазматического генетического материала, т.е. адаптация растений и их продуктивность обусловлены благоприятным ядерно-цитоплазматическим взаимодействием [3] Иначе, провокационный фон изменяет цитоплазматический геном, отбор и рекомбиногенез способствуют его становлению и нормальному взаимодействию с ядерным геном на более высоком уровне адаптации.

На примере аллоплазматических линий прослежено влияние ядерных и цитоплазматических генов на морфологию растения, уровень проявления адаптивных и других селекционно-важных признаков. Отмечена неоднозначность влияния чужеродной цитоплазмы на многие признаки, в большинстве случаев, приводящей к отрицательным результатам [3,4,12] Поэтому необходим поиск или селекция форм с оптимальным и благоприятным взаимодействием ядерных и цитоплазматических факторов, позволяющих сочетать в одном организме высокую продуктивность и адаптационную способность.

Роль цитоплазмы наиболее хорошо изучена при межвидовой и значительно меньше при внутривидовой гибридизации. Тем не менее наличие реципрокного эффекта в последнем случае указывает на активную роль цитоплазматических генов в проявлении уровня определенных признаков [3] Однако значимость внутривидовой цитоплазматической изменчивости, возможность ее получения и использования изучены недостаточно.

Морозостойкость ржи контролируется несколькими генами с аддитивным эффектом [15,21] причем экспрессия ядерных генов зависит от цитоплазматических факторов, положительная роль которых отмечена как у ржи [14,15] так и у пшеницы [1] озимом ячмене [22]
Высокая наследуемость морозостойкости [21] и влияние цитоплазматических генов на ее уровень при высокой эффективности отборов по морозостойкости в провокационных условиях указывают на существование двойного кодирования морозостойкости и на возможность значительного изменения адаптивных свойств растений.

В отличие от прототипа, в котором из полученной гибридной комбинации от скрещивания реципиента и донора морозостойкости на низкотемпературном фоне отбираются растения для последующего их беккроссирования реципиентом до получения морозостойкого аналога, нами гибридная или иная другая популяция прорабатывается параллельно в естественных и провокационных условиях.

Жестким (интенсивность 10-15%) непрерывным 4-5-кратным отбором на низкотемпературном фоне, способствующем изменению цитоплазматических генов (не исключая ядерных), создается морозостойкая, продуктивная популяция. Отбором (по высоте, прочности соломины, озерненности, выполненности зерна и т.д.) с интенсивностью 3-5% в естественных условиях достигается повышение продуктивности, морфологической выравненности и отчасти адаптивных свойств популяции-аналога.

Полученные путем отбора в различных условиях популяции гомеологичны по ядерному геному, поскольку исходная для проработки популяция была одна. Направления отборов, хотя и проводились на различных фонах, по основным параметрам сходные, поэтому различия по ядерному геному Популяции 50 и Популяции 50 морозостойкой незначительные. Тем более нами преследовалась цель выяснения роли цитоплазматических генов на морозостойкость.

Основным способом обнаружения материнского эффекта является получение и изучение реципрокных гибридов [4] Скрещивание Популяции 50 морозостойкой с Популяцией 50, подвергавшейся отбору на продуктивность, а также с районированными сортами ржи Таловская 15 и Саратовская 5 и анализ реципрокных гибридов показали положительную роль цитоплазмы в уровне морозостойкости и ее изменение в процессе отборов (табл.6).

Однако мягкие погодные условия зимнего периода 1991-1992 гг. (температура на узле кущения не опускалась ниже -6^oC) не позволяли получить между реципрокными гибридами, как и между П-50 и П-50(мороз.), достоверных различий по морозостойкости, которые хорошо наблюдаются в "суровые" годы (табл.2). На это же указывает и высокая сохранность растений после перезимовки. Нагляднее реципрокный эффект просматривается при исключении низких оценок, число которых выше у слабоморозостойких форм. Тем не менее влияние цитоплазмона на морозостойкость прослеживается.

Сравнительное изучение элементов продуктивности полученных гибридов в сравнении с родительскими формами показало, что продуктивность гибридов, у которых в качестве материнской формы была П-50 (мороз.), оказалась выше, чем в обратной комбинации и не уступала сортам, т.е. положительная роль цитоплазмы П-50(мороз.) проявилась и на элементах продуктивности (табл.7).

Таким образом, объединение двух популяций, сходных по ядерному геному и различных по цитоплазмону позволяет получить новую популяцию, положительно сочетавшую признаки материнской и отцовской форм. Учитывая ядерный и цитоплазматический контроль морозостойкости, как материнскую форму следует использовать популяцию с улучшенной цитоплазмой.

На основании анализа известных решений в науке и технике делаем вывод, что наше техническое решение является новым и неочевидным.

При этом получен положительный эффект предложенный способ позволяет получить селекционный материал с высокими показателями морозостойкости и продуктивности.

Предлагаемый способ заключается в следующем:
разделение популяции на две части;
проработка одной части популяции в провокационных, другой в естественных условиях;
4-5-кратный непрерывный отбор морозостойких растений на низкотемпературном фоне с интенсивностью 10-15%
непрерывный отбор растений по элементам продуктивности в естественных условиях с интенсивностью 3-5%
объединение обеих популяций путем переопыления с использованием как материнской формы популяции с измененной цитоплазмой;
размножение, испытание морозостойкой продуктивной популяции.

Физиологическая реакция растений на действие мороза и засухи сходна, поэтому вполне возможно наличие положительной роли цитоплазмона в уровне засухоустойчивости, а также и других признаков [3,4]
Пример.

Подбирают популяцию или получают гибридную комбинацию, требующую селекционного улучшения по продуктивности и адаптивности.

Делят популяцию на две части, одну для проработки на провокационном фоне, другую в естественных условиях.

На низкотемпературном фоне проводят оценку морозостойкости растений по отрастанию побегов, предварительно подрезанных на 1,5-2,0 см над уровнем земли, по пятибалльной шкале.

Все растения с оценками 1 и 2 и частично тройками бракуются, оставшиеся свободно переопыляются, образуя новую популяцию. Интенсивность отбора 10-15%
Четырех пятикратный непрерывный отбор на низкотемпературном фоне приводит к изменению цитоплазматических генов в сторону их улучшения по морозостойкости без снижения элементов продуктивности.

Такой же кратности отбор по элементам продуктивности проводят в популяции в естественных условиях. Интенсивность отбора 3-5%
Объединяют две родственные популяции путем их переопыления, используя в качестве материнской формы популяции с измененным (улучшенным) цитоплазмоном.

Размножают и испытывают новую популяцию.

Источники информации
1. Булавка. Н.В. Генетические основы селекции на морозо- и зимостойкость // Биол. резервы повыш. урожайности зерн. колосов. культур / Сб.науч.тр. - Мироновка, 1989, с.43-51.

2. Гончаренко А.А, Кедрова Л.И, Худоерко В.И. Селекция озимой ржи на зимостойкость // Методические указания по селекции и семеневодству озимой ржи. Москва, 1980, с.28-43.

3. Давыденко О.Г. Роль цитоплазматической изменчивости в эволюции и селекции растений // Цитология и генетика, 1989, т.23, N 4, с.66-76.

4. Давыденко О.Г. Внутривидовые эффекты цитоплазм на хозяйственно ценные признаки пшеницы // Селекция растений: новые генетические подходы и решения. Кишинев: Штиинца, 1991, с.278-285.

5. Евдокимов В.М. Курмангалин К.Н. Пугач Н.Г. Никифоров О.А. Оценка зимостойкости селекционного материала озимой ржи в условиях Северо-Западного региона // Селекция, семеноводство и сортовая агротехника зерновых культур / Научн.тр.С.з. НИИСХ, 1982, с.12-20.

6. Зеленовский М.А. Винничук В.М. Способ оценки зимостойкости растений озимых зерновых культур // А.С. 1584823, МКИ A 01 G 7/00, 1990, Бюл. N 30.

7. Иванова Л.И. Роль провокационных фонов с использованием ряда физиологических показателей для отбора и оценки перспективных форм при селекции озимой ржи на зимостойкость: Автореф. дис. канд. с.-х. наук. Немчиновка, 1983,17с.(прототип).

8. Кондратенко Ф. Т. Гончаренко А.А. Методы селекции короткостебельных зимостойких сортов озимой ржи // Методы и приемы повышения зимостойкости озимых зерновых культур. М. Колос, 1975, с.172-176.

9. Лукьяненко П.П. Пучков Ю.М. Селекция зимостойких сортов озимой пшеницы // Методы и прием повышения зимостойкости озимых зерновых культур. М.Колос, 1975, с.9-22.

10. Мишарин С. И. Антипина А.И. Войников В.К. Способ оценки морозоустойчивости сортов озимой пшеницы // А.С. 1494884, МКИ А 01 Н 1/04, А 01 G 7/00, 1989, бюл. N 27.

11. Мусич В.Н. Корнелли Б.Н. Способ оценки морозостойкости озимых зерновых культур // А.С.1207431, МКИ A 01 G 7/00, A 01 H 1/04, 1986, бюл. N 4.

12. Орлова И. Н. Цитогенетический эффект аллоплазмии у ядерноцитоплазматических гибридов пшеницы с рожью // Цитогенетика зерновых культур. Таллин, 1990, с.85-90.

13. Полтарев Е.М. Борисенко Л.Р. Рябчук Н.И. Способ определения морозостойкости сортов озимой пшеницы // А.С.1565405, МКИ A 01 G 7/00, A 01 H 1/04, 1990, Бюл. N 19.

14. Пугач Н. Г. Евдокимов В.М. Корнеев В.А. Соколова Н.В. Особенности наследования показателей зимостойкости у гибридов озимой ржи // Сборник научн.тр. по прик. ботан. генет. и селекции. ВИР, 1985, Т.95, с.14-19.

15. Ригин Б. В. Проблема интогрессии генов морозостойкости ржи в геном мягкой пшеницы // Сб.научн.тр. по прикл. ботанике, генетике и селекции, ВИР, 1987, Т.100, С.140-150.

16. Рыбакова М.И. О некоторых итогах работы по оценке и отбору селекционного материала озимых на зимостойкость // Методы и приемы повышения зимостойкости озимых зерновых культур. М. Колос, 1975, с. 380-384.

Рыбакова М.И. Метод оценки морозостойкости озимых на стеллажах // Методы оценки устойчивости растений к неблагоприятным условиям среды. Л. Колос, 1976, с.122-127.

18. Рыбакова М.И. Иванова Л.И. Физиологические критерии отбора и принципы их использования для интенсификации селекции озимых зерновых культур на зимостойкость и продуктивность // Физиолого-генетические основы интенсификации селекционного процесса. Саратов, 1984.Часть 1, с. 134-136.

19. Семенова Н.Ю. Соколова Н.А. Эффективность отбора озимой ржи на зимостойкость на провокационном фоне // Селекция и семеноводство, 1966, N 4, с. 36-39.

20. Худоерко В.И. Пахомова В.П. Селекция озимой ржи на зимостойкость // Методы и приемы повышения зимостойкости озимых зерновых культур. М. Колос, 1975,с. 109-114.

21. Brule-Babel A.Z. Fowler D.B. Genetik control of cold hardiness and vernalization reguirement in rye // Genome, 1989, V. 32, N 1, P. 19-23.

22. Zagdanska B. Rubka Z. Nadziak J. Owernicki W. Mrozoodpornosc nowych rodow jeczmienia ozimedo. // Biul. Jnst. Hodowli Aklimat. Rosl, 1988, T. 167, C. 45-50.

Использование: сельское хозяйство, селекция растений на продуктивность и адаптивность, в частности селекция озимой ржи на морозостойкость, засухоустойчивость и другие показатели. Сущность изобретения: перед гибридизацией из исходной популяции озимой ржи получают две популяции, гомеологичные по ядерному геному и различные по цитоплазмону. Популяцию с измененным по морозостойкости цитоплазмоном получают путем жестких непрерывных моногократных отборов в провокационных условиях, другую - отбором по элементам продуктивности в естественных условиях. Объединение популяций осуществляют переопылением, используя при этом в качестве материнской формы популяцию с измененным цитоплазмоном. 7 табл.

Способ селекции озимой ржи, включающий выделение исходного материала и последующую его гибридизацию, отличающийся тем, что в качестве исходного материала выделяют исходную популяцию, на основе которой перед гибридизацией получают две популяции, гомологичные по ядерному геному и различные по цитоплазмону, при этом первую популяцию получают из исходной путем отбора в ней растений по элементам продуктивности в естественных условиях, вторую - путем жесткого непрерывного многократного отбора растений на морозостойкость, а при гибридизации полученную популяцию с измененным цитоплазмоном используют в качестве материнской формы.