СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ЗЕРНА КУКУРУЗЫ Российский патент 1997 года по МПК A01H1/04 A01H1/00 

Изобретение относится к новому способу получения кукурузы, в котором женские растения кукурузы высокоурожайного сорта выращиваются и опыляются изогенными растениями кукурузы, содержащими гены, которые управляют проявлением улучшенных свойств зерна.

После этого опыления зерно, собираемое с женских растений, имеет улучшенные свойства по сравнению со свойствами, получаемыми путем самоопыления или перекрестного опыления вариантов женского гибрида с мужской фертильностью или мужской стерильностью.

Кукуруза является преимущественным злаком для питания человека, животных и источником углеводов, масел, белков и клетчатки. Она в основном используется в качестве источника энергии в кормах для животных и в качестве сырья для получения крахмала, белковых составляющих кормов, клетчатки, крупы, муки и масла. Из кукурузы или продуктов, экстрагируемых из нее, получают большое количество продуктов и среди прочих бумажные проклейки, богатые фруктозой сиропы, клеи, пищевые загустители, промышленные и медицинские абсорбенты и этанол (из крахмала); корма и компоненты кормов для животных (из целого зерна, зернового силоса, глютенового корма и муки) и кукурузное масло, экстрагируемое из зародышей.

Фактически всю товарную кукурузу, производимую в США, Канаде и Европе, и большую ее часть, производимую в Южной Америке, выращивают из гибридных семян. Производство кукурузных гибридов требует развития элитных кукурузных инбредных линий, отличающихся хорошей общей и специфической скрещиваемостью для производства агротехнически отличных гибридов. К качествам, избираемым селекционерами для производства гибридов, относятся высокая урожайность, прочность стебля, сопротивляемость специфическим болезням, достаточная засухоустойчивость, быстрое высушивание и качество зерна, обеспечивающее его хранение и перевозку на рынок без потерь. Развитие этих элитных инбредных сортов требует больших затрат труда и средств и долгих лет оценки в различных условиях окружающей среды. Развитие дополнительных свойств, еще более улучшающих качество зерна, создает дополнительные сложности для селекционеров, резко увеличивая как время, так и расходы на выделение этих качественных инбредных сортов.

После выведения элитных инбредных сортов их можно использовать по разному для производства товарных гибридных семян. Большинство гибридных семян, получаемых в США, принадлежит к типу, полученному однократным скрещиванием. Две инбредные линии скрещивают, чтобы получить так называемый гибрид F1 первого поколения (АХВ). В некоторых случаях женская родительская форма в скрещивании сама является гибридом F1 первого поколения, так что в этом случае получают гибрид тройного скрещивания с генотипом (АХВ)ХС. Реже получают гибрид четвертого скрещивания, в котором как мужские, так и женские родительские формы являются гибридами, которые производят генотип (AXB)X(CXD). Во всех случаях зерна, полученные от такого скрещивания, продаются коммерческим производителям, которые в конце концов получают зерно F2 для внутреннего употребления или на продажу. Общий обзор этих систем можно найти в нескольких источниках (Poehlman J.M. 1987, Breeding Field Crops, 3rd edition, Avi Publishing Company, Westport, Connecticut).

Кроме наличия соответствующего сочетания генетических факторов для получения элитных гибридов сами инбредные сорта должны быть достаточно активными, чтобы удовлетворить требованиям современного семеноводства. Это можно проиллюстрировать описанием товарного производства гибридов одноразового скрещивания. Для управления направлением опыления и получения урожая преимущественно гибридных семян семеноводческие поля планируются так, чтобы четыре ряда инбредных женских растений кукурузы перемежались с одним рядом мужских инбредных растений, хотя возможны и другие системы посадки. Материнским растениям придают мужскую стерильность либо удалением метелки, либо через генетические механизмы, как, например, цитоплазменная мужская стерильность, которая уничтожает функцию метелки. Семяпочки, развивающиеся на этих материнских растениях, затем оплодотворяются пыльцой с отцовских растений, и гибридные семена, получающиеся на женских растениях, убираются, очищаются, сортируются и обрабатываются перед продажей в коммерческое семеноводство. Для экономического производства этих гибридных семян мужские инбредные растения должны образовать достаточно пыльцы для оплодотворения материнских растений в разнообразных климатических условиях. Гибридные семена, получаемые с женских инбредных растений, должны иметь высокое качество для обеспечения хорошей всхожести и мощности на семеноводческих полях, а женские растения сами должны обладать хорошим травостоем и сохранять початки для сбора урожая. Эти требования к самоопыленным инбредным линиям еще более увеличивают время и средства, необходимые для производства товарно-выгодных гибридов.

Таким образом, интенсивное по времени и вложениям развитие и испытания инбредных сортов растений являются ключевой проблемой для современного производства кукурузы.

Имеются три схемы выращивания, обычно используемые для производства инбредных линий кукурузы: система с родословной, конверсия обратного скрещивания и периодический отбор. В распространенной форме с родословной две инбредные линии кукурузы, часто с различными сочетаниями желательных характеристик, скрещиваются друг с другом, и наилучшие растения отбираются и самоопыляются в следующих поколениях, чтобы стать все более инбредным сортом. Часть такой селекции включает в себя периодическую оценку действия полученных инбредных линий в различных сочетаниях гибридов. Процесс продолжающихся самоопыления и селекции, обычно в 3-8 поколениях, приводит к получению линий, которые в значительной степени являются генетически гомогенными или инбредными. Развитие и товарное производство элитного инбредного сорта согласно этому способу обычно требует от 5 до 7 лет.

Во втором методе выращивания, т.е. конверсии обратного скрещивания, желаемая характеристика (обычно одна, которая просто наследуется, например, сопротивляемость к определенным болезням) вводится в желаемый элитный инбредный сорт (родительская форма, с которой гибрид скрещивается вновь) путем скрещивания этой родительской формы с исходным растением, имеющим то или иное свойство, интересующее селекционера. Это исходное растение может также быть инбредным, но в широком смысле может принадлежать к любому сорту растений или популяции, перекрестно-опыляющейся с возвратной родительской формой. Потомство этого скрещивания опять обратно скрещивают (или иногда самооплодотворяют) с возвратной родительской формой, желаемое потомство выделяют и цикл повторяют вновь. После 5-8 циклов обратного скрещивания и отбора этот процесс дает желаемое свойство, в большей степени являющееся генетическим фоном повторяющегося элитного родителя. Часто "конвертируемый" самоопыляемый сорт может быть быстро получен и произведен (в срок от 3 до 5 лет), но поскольку конечный продукт по существу является более "старой" линией во многих отношениях, конверсия обратного скрещивания обычно считается консервативным способом инбредного развития.

Третий метод инбредного развития периодический отбор обычно включает в себя получение новых инбредных растений из большого генетически-разнородного фонда, обычно называемого популяцией. Отдельные растения в такой популяции отбираются с точки зрения таких желательных свойств, как мощность стебля или способность к скрещиванию для получения новой популяции, из которой опять можно отобрать и скрестить растения с этими желаемыми свойствами. Ввиду того что число возможных генетических комбинаций в этих популяциях весьма велико, существует благоприятная возможность получения подпопуляции и в конце концов инбредных растений с новыми характеристиками зерна, семян или полных характеристик растения. Однако неизбежным следствием такого генетического разнообразия является значительное увеличение срока получения элитных инбредных растений путем возвратной селекции по сравнению с двумя предыдущими способами.

В итоге все три существующие системы требуют больших затрат труда и средств, многолетних усилий, чтобы перераспределение генетической информации и селекции в конце концов произвело элитные инбредные линии, которые бы с успехом объединились для получения гибридных семян для посева на зерно. Скорость, с которой можно получить удовлетворительные инбредные линии, в значительной степени зависит от характера и числа свойств, которыми должны обладать эти линии. Добавление новых или необычных свойств, в особенности, когда они управляются несколькими генами, естественно увеличит время и трудозатраты на получение желаемых линий.

Большинство видов зерна кукурузы рассматривается как продукт потребления для промышленных и кормовых целей, который может производиться из обычных полевых сортов, выращиваемых в большом количестве. Однако в настоящее время существует увеличивающийся спрос на кукурузу со специальными качествами, не имеющимися в кукурузе стандартных сортов.

Обычно такая "специальная" кукуруза отличается от "нормальных" сортов измененными свойствами эндоспермы, например, общим изменением степени развития крахмала [(восковидная кукуруза, наполнитель, амилоза; Glover D.V. and E.T.Mertz, 1987, Corn, In: Nutritional Quality of Cereal Grains: Genetic and Agronomic Improvement, R.A.Olson and K.J.Frey, eds.American Society of Agronomy, Madison, Wisconsin, pp.183-336), увеличенным содержанием сахаров или водорастворимых полисахаридов (сахарная сморщенная сверхсладкая кукуруза; Glover D. V. and E.T.Mertz, 1987, Corn, In: Nutritional Quality of Cereal Grains: Genetic and Agronomic Improvement, R.A.Olson and K.J.Frey, eds.American Society of Agronomy, Madison, Wisconsin, pp.183-336), или изменениями в степени твердости эндоспермы (кормовая кукуруза, попкорн; Glover D.V. and E.T.Mertz, 1987, Corn, In: Natritional Quality of Cereal Grains: Genetic and Agronomic Improvement, R.A.Olson and K.J.Frey, eds.American Society of Agronomy, Madison, Wisconsin, pp.183-336; Rooney L.W. and S.O.Serna-Saldivar, 1987, Food Uses of Whole Corn and Dry-Milled Fractions, In: Corn: Chemistry and Technology, S.A.Watson and P.E.Ramstead, eds.American Association of Cereal Chemists, Inc, St.Paul, Minnesota, pp.399-429)] Специальные сорта кукурузы обычно выращиваются по договорам с определенными потребителями, которые ценят крахмалистость или какие-то другие качества зерна. Возможно, наиболее ярким примером такой дифференциации является договорное производство высоковидного маиса, в котором включение одного гомозиготного рецессивного гена (WX) превращает нормальный маисовый крахмал (75-80% амилопектина, 20-25% амилозы) почти полностью в амилопектин (>99%). Таким же образом рецессивный ген растворителя амилозы (ае), будучи гомозиготным, или доминантный ген Ае-5180, будучи либо гомозиготным, либо гетерозиготным (Plant Biotechnology, February 1991, Office of Biotechnology, Iowa State University, Ames, Iowa), увеличивает удельное содержание амилозы в зерне кукурузы до 50% и более.

Кроме того, патент США 4,798,735 показывает, как модифицированные кукурузные крахмалы, полученные из сочетаний простых рецессивных генов, могут привести к получению крахмала с функциональными качествами, максимально пригодными для использования в пищевой промышленности. Сахарная кукуруза являет собой еще один пример специального продукта, часто выращиваемого по контракту, где включение рецессивных генов, сморщенного-2 сорта или сахаристого гена-усилителя, по отдельности или в сочетании придает сладость благодаря уменьшению количества крахмала и увеличению количества глюкозы, сахарозы и/или водорастворимых полисахаридов, обычно присутствующих в недозрелых зернах (или зерновке) кукурузы (Greech R.and D.E.Alexander, 1978, Breeding for Industrial and Nutritional Quality in Maize, In: Maize Breeding and Genetics, D.B.Walden, ed.John Wiley and Sons, New York, pp.249-264).

В последнее время появилась тенденция дифференцировать кукурузу не только на основании изменений качества углеводов, но и на основании содержания в ней белка, масла и твердости зерна. Некоторые компании продают кукузуру с повышенным содержанием лизина (Crow's Hybrid Corn Company, Milford, Illinois), белка (Wilson Hybrids, Harlan, Iowa), масла (Pfister Hybrid Corn Company, El Paso, Illinois under the trademark KERNOIL^®) и твердости эндоспермы (Vineyard Seed Co. Homer, Illinois) с целью удовлетворения растущей оценки рынком этих свойств зерна. Содержание белка и масла является наиболее важным определяющим фактором при оценке зерна для животноводческих кормов (Glover D. V. and E.T.Mertz, 1987, Corn, In: Nutritional Quality of Cereal Grains: Genetic apd Agronomic Improvement, R.A.Olson and K.J.Frey, eds. American Society of Agronomy, Madison, Wisconsin, pp. 183-336; Ham Y. C.M.Parons and D. E. Alexander, 1987, Nutritive Value of High Oil Corn for Poultry. Poultry Science 66: 103-111). Более того, в качестве побочных продуктов мокрого и сухого помола кукурузное масло и белок служат важными источниками дохода для мельничных компаний. Результаты недавних испытаний продуктивности кукурузы, проведенных Университетом шт. Айова, продемонстрировали промышленную ценность этих компонентов кукурузы, так как они включали данные не только по урожайности испытанных гибридов, но и по их вычисленной ценности мокрого помола и кормовой (Iowa Corn Growers Association, 1989, Higher Processing Value in 1989 State Fair Open Class Corn and Soybeans. Bulletin, 8/27/89).

Выращивание, развитие и пищевые характеристики кукурузы с высоким содержанием масла описаны ниже в качестве иллюстрации состояния развития, наследственности, трудности селекции и преимуществ, присущих развитию многих, если не всех, сортов зерна с улучшенными свойствами. Пожалуй, наиболее подробно были изучены популяции кукурузы с повышенным содержанием масла "Иллинойская масляная" (IHO) и Александер масляная (Alexho) в Иллинойском Университете. IHO была получена модифицированной массовой селекцией свободно-опыляемого сорта кукурузы Беррз Уайт путем более чем 80 циклов селекции, начатых в 1896 г. (Alexander D.E. 1988, High Oil Corn: Breeding and Nutritional Properties, In: Proceedings of the 43rd Annual Corn and Sorghum Industrial Research Conference, pp. 97-105; Dudley J.W. R.J.Lambert and D.E. Alexander, 1974, Seventy Generations of Selection for Oil and Protein Concentration in the Maize Kernel, In: Seventy Generations of Selection for Oil and Protein in Maize, J.W.Dudley, ed. Crop Scince Society of America, Madison, Wisconsin, pp. 181-212). Высшее среднее содержание масла в зерновке или зерне, полученное в этой популяции, равняется около 22% по сухому веществу. Наоборот, доктор Дентон Александр, занимающийся как массовой селекцией, так и индивидуальным отбором в пределах синтетической популяции (Алексхо) смог получить среднее содержание масла около 22% после 28 селекционных циклов (Alexander D. E. 1988, High Oil Corn: Breeding and Nutritional Properties, In: Proceedings of the 43rd Annual Corn and Sorghum Industrial Research Conference, pp.97-105). Ряд инбредных сортов кукурузы был получен из популяций IHO (R 802A) и Alexho (R805, R806) и могут быть приобретены через директора сельскохозяйственной экспериментальной Станции Иллинойского Университета Урбана, Иллинойс.

Содержание масла в кукурузе это свойство зерна, которое является количественно наследуемым (Silvela L. R.Rodgers, A.Garrera and D.E.Alexander, 1989, Effect of Selection Intensity and Population Size on Percent Oil in Maize, Zea mays, L. Theoretical and Applid Genetics 78: 298-304). Некоторые исследования свидетельствуют, что содержание масла в зерновке F2, полученной от скрещивания между различными производными Alexho и инбредными линиями с нормальным маслосодержанием, приближается к среднеродительской величине маслосодержания в зерновке, полученной от самоопыления каждого из родителей отдельно (Alexander D.E. 1988, High Oil Corn: Breeding and Nutritional Prorerties, In: Proceedings of the 43rd Annual Corn and Sorghum Industrial Research Conference, pp. 97-105; Misevic, D.A.Marie, D.E.Alexander, J.Dumanovic and S. Ratkovic, 1989, Population Cross Diallele Among High Oil Populations of Maize. Crop Sci. 29: 613-617). Кроме того, зерно F2, полученное от скрещивания культур с высоким и низким содержанием масла, разделялось по содержанию масла на основе индивидуальных зерен (Alexander D.E. 1988, High Oil Corn: Breeding and Nutritional Properties, In: Proccedings of the 43rd Annual Corn and Sorghum Industrial Research Conference, pp. 97-105).

Обе эти характеристики отвечают гипотезе о том, что содержание масла в семенах или зерне кукурузы управляется влиянием нескольких генов, каждый из которых оказывает частичное влияние на общее содержание масла.

Ввиду высокой генетической разнородности на начальных стадиях большинства селекционных программ требуется гораздо больше времени для получения элитной инбредной формы путем периодического отбора, чем путем программы, основанной на селекции на базе родословной. К настоящему времени большинство сортов кукурузы с высоким содержанием масла существует в виде популяций, отличающихся различной степенью генетической неоднородности.

Несмотря на ведущиеся в течение последних 30 лет попытки получить товарные сорта кукурузы с высоким содержанием масла путем сочетания периодического отбора с селекцией на базе родословной, было получено лишь наибольшее число коммерчески выгодных инбредных сортов с высоким содержанием масла и лишь ограниченное число этих сортов выращивалось в промышленном масштабе.

Крупномасштабное производство кукурузы с высоким содержанием масла для удовлетворения нужд птицеводов, свиноводов и мукомольной промышленности в настоящее время значительно отстает ввиду существующих ограничений на животноводство и селекцию.

Широкомасштабное производство было бы сильно увеличено, если бы были найдены новые методы инбредного развития или новые способы производства гибридной продукции.

Наиболее близким аналогом данного изобретения является способ повышения качества зерна кукурузы, который включает совместный посев родительских форм растений, выращивание, опыление растений и сбор урожая (патент США 5,004,864).

В одном варианте этот патент раскрывает способ получения высокоамилозных семян с потенциально повышенной урожайностью, подвергая гибридные сорта кукурузы либо мужские стерильные, либо с удаленной метелкой опылению пыльцой от Ae-5180 инбредных или гибридных линий.

Задачей изобретения является получение кукурузных зерен с большим количеством улучшенных зерновых свойств, включающих, кроме всего прочего, качество или количество масла, белка, крахмала, пигмента, клетчатки, а также увеличение размера и твердости зерен.

Поставленная задача достигается тем, что в способе повышения качества зерна кукурузы, включающем совместный посев родительских форм растений, выращивание, опыление растений и сбор урожая, согласно изобретению в качестве родительских форм используют высокопродуктивные женские растения и неизменные по отношению к женским, обладающие высоким заданным качеством, мужские растения-опылители.

Целесообразно при повышении содержания масла в зерне в качестве женских растений использовать высокопродуктивные гибриды F₁, имеющие низкое или высокое содержание масла; в качестве мужских форм использовать инбредные или гибридные растения-опылители, или растения, выделенные из популяции, либо из свободно опыляемого сорта с высоким содержанием масла.

В качестве мужских растений-опылителей рекомендуется использовать растения с высоким содержанием масла, выбранные из популяций Alexho Synthetic или Ultra High Oil, или Alexho Elite, или Иллинойских вариантов Disease Oil, или Iowa 2 Ear, или Reid Yellow Dent или Iowa Stiff Stalk Synthetic; могут быть также использованы в качестве мужских растений-опылителей растения с высоким содержанием масла, относящиеся к Иллинойскому варианту High Oil сорта Burr's white.

Согласно изобретению в качестве растений-опылителей используют растения, полученные из семян ASKC 28.

Причем целесообразно для повышения содержания масла в зерне растения родительских форм кукурузы выращивать в чередующихся грядках, при этом зерно следует собирать с женских растений. Можно родительские формы высевать произвольно в рядках, при этом зерно собирают как с женских, так и с мужских растений.

Кроме того, при повышении содержания белка или лизина в зерне в качестве растений-опылителей используют растения, полученные из семян ASKC28; при повышении содержания олеиновой кислоты в зерне в качестве растений-опылителей используют растения сорта Va35 или LH24, или B73ol; а при повышении амилозы в зерне в качестве растения-опылителя используют растения с геном Ae-5180.

Таким образом, согласно предложенному способу получают зерна кукурузы с улучшенными свойствами путем опыления высокоурожайных растений растениями, содержащими гены зерна с улучшенными свойствами. Растения с улучшенными свойствами, используемые в качестве опылителей, не должны быть гомозиготными (инбредными) или даже гомогенными с виду и не должны отбираться по их сочетаемости с высокоурожайными материнскими растениями. Таким образом, время селекции для получения коммерчески успешных родительских растений с улучшенными свойствами зерна значительно и резко сокращается, и его производство значительно ускоряется. Этот способ позволяет значительно расширить число агротехнических элитных материнских растений для производства зерна с улучшенными свойствами и увеличить урожай и диапазон сортов зерна с улучшенными качествами.

Способ улучшения качества зерна состоит из следующих этапов:
(а) посев на небольших расстояниях друг от друга
1) зерен высокопродуктивного сорта кукурузы для получения женских растений;
2) зерен сорта с улучшенными качествами, не изогенным по отношению к упомянутым женским растениям кукурузы для получения растений с улучшенными качествами, могущими служить опылителями;
(б) выращивание;
(в) опыление упомянутых женских растений кукурузы упомянутыми растениями кукурузы с улучшенными свойствами зерна;
(г) сбор урожая со всех этих растений и получение большого количества зерна кукурузы с улучшенными качествами, ценность которого является промежуточной между зернами, полученными после самоопыления зерна с улучшенными качествами и упомянутыми женскими растениями.

Ниже приводятся следующие значения терминов:
Кукуруза. Любой сорт, культивар или Zea mais L.

Элита. Растение или сорт, обладающий хорошими свойствами, как, например, высокопродуктивность, хорошее качество зерен и устойчивость к болезням. Это позволяет осуществлять выгодное производство семян или зерна. Термин также включает родительские растения таких растений или сортов.

Улучшенные свойства зерна. Зерно, качество которого достаточно отличается по количеству или составу от полевой кукурузы для того, чтобы получить коммерческую выгоду. Эти улучшения могут проявляться либо в большом объеме или на уровне какого-либо качества, либо в уменьшении качества, считающегося невыгодным в торговле.

Женское (материнское) растение кукурузы. Растение, не способное производить функциональную пыльцу.

Полевая кукуруза. Это сорта культиваров кукурузы, широко выращиваемых на небольших площадях в широких, неопределенных географических регионах, используемых для производства зерна и/или кормов. Большинство полевых сортов кукурузы называют в США "зубовидной", в то время как кукурузу, производимую в Европе и Аргентине, называют "кремнистой" или "кремнисто-зубовидной".

Общая сочетаемость. Средняя или общая продуктивность генетического рода в серии скрещивания.

Зародыш. Эмбрион кукурузного зерна, содержащий большую часть масла, находящегося в зерне.

Зерно. Зрелые кукурузные зерна, получаемые товарными производителями для внутреннего пользования или для продажи потребителям, в обоих случаях не для выращивания или воспроизводства. Обычными потребителями являются поставщики животноводческих кормов, владельцы мельниц сухого или влажного помола или производители комбикормов.

Гетерозиготность. Генетическое состояние, при котором различные аллели находятся в соответствующих локусах на гомологичных хромосомах.

Кукуруза (зерновка) с высоким содержанием амилозы. Зерновка, содержащая крахмал с повышенным уровнем амилозы по сравнению с зерновой кукурузой с низким ее содержанием.

Кукуруза (растение) с высоким содержанием амилозы. Растение, которое будучи самоопыленным, производят зерновку, содержащую крахмал, с повышенными уровнями амилозы по сравнению с растениями кукурузы с низким ее содержанием.

Кукуруза (зерновка) с высоким содержанием масла. Зерновка с повышенным содержанием масла в процентах от массы сухого вещества по сравнению с зерновкой с низким содержанием масла.

Кукуруза (растение) с высоким содержанием масла. Растение, которое, будучи самоопыленным, производит зерно с повышенным содержанием масла в процентах от массы сухого вещества по сравнению с растением кукурузы с низким содержанием масла.

Кукуруза (растение) с высоким содержанием олеина. Растение, которое, будучи самоопыленным, производит зерно с маслом, имеющим повышенное содержание олеиновой кислоты по весу от общего количества жирных кислот, чем имеется в растениях кукурузы с низким содержанием олеиновой кислоты.

Гомозиготность. Генетическое состояние, существующее, когда аллели находятся в соответствующих локусах на гомологических хромосомах.

Гибрид. Любое потомство от скрещивания двух генетически разнородных растений (Rieger R. A. Michaelis and M.M. Green, 1968, A Glossary of Genetics and Cytogenetics, Springer-Verlag, New York).

Инбредный. По существу гомозиготное растение или сорт.

Зерновка. Зерно кукурузы, частично состоящее из эмбриона и эндоспермы, полученных в результате двойного оплодотворения. Также плод кукурузы.

Кукуруза с низким содержанием амилозы (зерновка). Зерно, содержащее крахмал, состоящий приблизительно на 20-25% амилозы по весу.

Кукуруза с низким содержанием амилозы (растение). Растение, которое, будучи самоопыленным, производит зерна, содержащие крахмал, состоящий приблизительно на 20-25% амилозы по весу.

Кукуруза с низким содержанием масла (зерновка). Зерно, содержащее около 2,5-5,1% масла по весу в расчете на высушенное вещество.

Кукуруза с низким содержанием масла (растение). Растение, которое будучи самоопыленным, производит зерновку, содержащую примерно 2,5-5,1 вес. масла в расчете на сухое вещество. Такое содержание масла типично для широкого диапазона инбредных и гибридных сортов полевой кукурузы.

Кукуруза (растение) с низким содержанием олеина. Растение, которое, будучи самоопыленным, производит зерновку, содержащую масло, в котором олеиновая кислота составляет 30% или менее по весу от общего количества жирных кислот.

Маис. Любой сорт, культивар или популяция Zea mais L (Зеа маис Л).

Мужская стерильность. Растения, которые не могут производить функциональную пыльцу в результате механического или ручного удаления генетической стерильности или других причин.

Неизогенность. Состояние генетической разнородности между отдельными растениями, инбредными, гибридными растениями или сортами, наступающее, когда их ядерные генетические компоненты обладают менее 87% статистического сходства. Неизогенность можно уменьшить, например, обратным скрещиванием сорта по меньшей мере три раза с одним и тем же родительским сортом, который сам является генетически гомогенным или инбредным.

Семяпочка. Структура, состоящая из женской репродуктивной ткани, охватываемой материнской тканью. Во время развития растения кукурузы семяпочка в конце концов будет содержать гаплоидное ядро яйца и два галоидных полярных ядра. После слияния с ядрами спермы пыльцы семяпочка развивается в зрелое зерно кукурузы.

Процент амилозы. Концентрация амилозы, содержащейся в крахмале, экстрагированном из кукурузных зерен, в весовых процентах в расчете на сухое вещество.

Процент лизина. Концентрация лизина, выраженная в процентах по сухому веществу, содержащегося в кукурузном зерне.

Процент олеиновой кислоты. Концентрация олеиновой кислоты по весу, содержащейся в масле, полученном из кукурузных зерен.

Процент масла. Концентрация масла в зерне кукурузы по сухому весу.

Процент белка. Общая концентрация белка в зерне кукурузы по сухому весу.

Пыльца. В кукурузе это структура, содержащая два гаплоидных ядра спермы, которые сливаются с ядром яйца и полярными ядрами, находящимися в семяпочке, чтобы произвести эмбрион и эндосперму зеленого зерна кукурузы.

Популяция. Генетически разнородное сообщество растений общего генетического происхождения.

Качественные характеристики зерна. Признак зерна, имеющего товарную ценность. Эти характеристики относятся к промежуточному или конечному использованию зерна и включают в себя кроме прочего количество масла, белка, крахмала, пигментацию и клетчатку, содержащиеся в зерне кукурузы. Эти характеристики также охватывают среди других физические свойства самого зерна, как, например, его структуру, величину или твердость. Некоторые из этих физических характеристик зерна согласуются с функциональными свойствами, имеющими коммерческую ценность, например, подверженность зерна бою и порче.

Семя. Зрелое семя кукурузы, произведенное для распространения вида. Как вариант это зерно кукурузы, обычно покупаемое товарными производителями зерна или кукурузоводами.

Удельная сочетаемость. Продуктивность некоторых сочетаний скрещиваемых генетических видов по отношению к средней продуктивности всех сочетаний.

Синтетическая популяция. Генетически разнородная коллекция растений известного происхождения, полученная путем скрещивания любых комбинаций инбредных и гибридных сортов, популяций, пород или других синтезированных видов.

Сорт или культиватор. Группа подобных растений, которые можно отличить по структурным свойствам и продуктивности от других сортов в пределах того же вида.

Зерновка кукурузы является продуктом двойного оплодотворения (Kiesselbach T. A. 1980, The Structure and Reproduction of Corn, University of Nebraska Press). Это означает, что как диплоидный эмбрион (приводящий к зародышу и проростку), так и триплоидная эндосперма (питательная структура, окружающая зародыши), содержат гены, переданные как от мужских, так и от женских родителей. Тем не менее гены, влияющие на состав и качество зерна, достаточно похожи в большинстве инбредных сортов полевой кукурузы, так что скрещивание любого женского растения с большим количеством разнообразных мужских растений не приводит к резким переменам в составе или качестве получаемых семян или зерна. Точно так же посадка различных гибридов полевой кукурузы в зоне взаимного опыления в большинстве случаев не оказывает существенного влияния на качество зерна, собираемого с каждого типа.

В отличие от этого меньшее количество товарных инбредных или гибридных сортов кукурузы все же содержит гены, которые существенно изменяют качество зерна. Такие гибриды, как, например, содержащие восковые гены, должны быть изолированы от нормальных, невосковых инбредных или гибридных сортов для того, чтобы получить восковые семена или зерно. Если невосковое опыляющее зерно (в большинстве инбредных сортов кукурузы) опыляет семяпочку воскового инбредного или гибридного растения, полученная зерновка будет невысокой, даже несмотря на то, что соседние зерна на том же початке, опыленные восковой пыльцой, останутся восковыми. Это непосредственное влияние генотипа пыльцы на характеристики зерна называется "ксенией" (Rieger R. P. Michaelis and M. M. Green, 1968, A Glossary of Genetics and Cytogenetics, Springer-Verlag, New York), и гибридная природа таких зерен проявляется специфическими фенотипическими характеристиками (цвет, форма, величина и т.д.) благодаря прямому влиянию генотипа пыльцы.

Это непосредственное влияние пыльцевого генотипа на качество зерна наблюдалось с пыльцой, полученной от кукурузных растений с высоким содержанием масла (Alexander D.E. and R.J. Lambert, 1968, Relationship of Kernel Oil Content to Yield in Maize Crop Science, 8: 272-274). Кроме того, "ксении" могут наблюдаться для нескольких других качественных характеристик зерна, включающих среди прочего количество и качество протеина, качество масла и крахмала, пигментацию и твердость зерна. Также можно наблюдать "ксении" в нескольких других свойствах зерна, не перечисленных здесь. Это наблюдение было распространено для развития его в полезный способ производства зерна кукурузы с улучшенными свойствами.

Изобретение поясняется следующими примерами в которых все компоненты и проценты определяются по весу, а температура дается в градусах Цельсия, если не указано иное. Следует понимать, что эти примеры, хотя и описывающие предпочтительные варианты осуществления изобретения, приводятся только в качестве иллюстрации. Лица, компетентные в этой области, могут судить из вышеприведенного описания в этих примеров об основных характеристиках данного изобретения и, сохраняя его сущность, могут внести различные изменения и модификации в изобретение, чтобы использовать его в различных условиях и областях.

Пример 1. Доказательство того, что зерна, получаемые на инбредных растениях кукурузы с малым содержанием масла, опыленных мужскими растениями кукурузы с высоким содержанием масла, сами имеют высокое содержание масла.

Инбредные растения с низким содержанием масла и опылители с высоким содержанием масла были выращены в Pont Company Stine-Haskell Research Center in Newark, Delaware в течение лета 1989 г. Материнские растения с низким содержанием масла были либо гомозиготными по рецессивным генам восковые (WX), матовые 2 (о2), либо несли нормальные аллели в этих локусах (без наименования).

Пестики на початках опылялись на этих растениях вручную свежей пыльцой растений с высоким содержанием масла, которые либо являлись инбредными растениями с высоким содержанием масла (AEC 27-2S6), частично инбредные линии кукурузы с высоким содержанием масла (UHOC3-4IS3, UHOC3-I3IS3, UHOC3-168S3), растения из синтетической популяции (ASKC 28) с высоким содержанием масла, или растения сорта (IHO) с высоким содержанием масла. Опыление состояло в затаривании незрелых початков в мешки, чтобы избежать загрязнения случайной пыльцой, и сборе свежей пыльцы в мешки для метелок, что является обычной практикой в кукурузоводстве. Гибридные семена, получаемые на этих початках, собирались с созревших початков и высушивались. Большая часть неповрежденных зерен на каждом початке была подвергнута анализу на содержание масла при помощи инфракрасной спектрофотометрии (Williams P.С. 1987, Commercial Near Infrared Reflectance Instrumentation, In: Near Infrared Technology in Agricultural and Food Industries; Williams P.C. and C.Norris, eds. American Association of Cereal Chemists).

Содержание масла было установлено с поправкой на влагу и выражено в процентах от сухого веса зерна. Средние родительские величины были вычислены как среднее содержание масла в самоопыленном зерне, полученном от сибсовых (родственных) мужских и сибсовых женских растений.

Согласно табл. 1 зерна, полученные от скрещивания нескольких инбредных линий кукурузы с низким содержанием масла с растениями кукурузы с высоким содержанием масла, всегда содержат масла больше, чем наблюдается в самом инбредном зерне с низким содержанием масла.

В большинстве случаев концентрация масла в гибридных зернах увеличивается так же, как она увеличивается в сорте с высоким содержанием масла, который используется в качестве опылителя. Это увеличение концентрации масла в гибридных зернах очень велико по сравнению с его концентрацией в инбредном источнике с малым содержанием масла во всех случаях, когда источник с высоким содержанием масла используется в качестве опылителя. Это утверждение остается правильным, независимо от того, являются ли опыляющие растения с высоким содержанием масла инбредными, членами частично инбредной линии, или синтетической популяции, или содержат сорт с высоким содержанием масла. Это увеличение содержания масла в гибридном зерне особенно очевидно, когда сорт ASKC28 используется в качестве опылителя, и в этом случае обычно наблюдается увеличение содержания масла более чем на 100% над родительским растением с малым содержанием масла; в одном случае это увеличение превысило 200%
Гибридные семена, полученные от опыления IHO, имеют ненормально низкое содержание масла, как видно из низких межродительских величин. Это может быть вызвано тем, что IHO генеалогически отличается от опылителей с высоким содержанием масла и поэтому может иметь гены, которые отличаются своим поведением от других опылителей с высоким содержанием масла, упоминаемых в примере 1.

Инбредные растения LH51, B73, LH51wx, B73HTwx, LH74wx и LH82wx можно приобрести в зерновой компании фонда Холдена, Вильямсбург, Айова. Сорта Mo17, Mo17wx, B73wx, Oh43wx, A632wx и Mo17 o2 можно приобрести в Кооперативе Генетики кукурузы агротехнического факультета Иллинойского Университета, Урбана, Иллинойс.

Пример 2. Иллюстрация того, что зерно, полученное от кукурузных гибридов с малым содержанием масла, опыленных инбредными растениями с высоким содержанием масла, и зерно, полученное от кукурузных гибридов с высоким содержанием масла, опыленных кукурузными инбредными растениями либо с низким, либо с высоким содержанием масла, сами содержат большую концентрацию масла.

Инбредные и гибридные растения либо с низким, либо с высоким содержанием масла были выращены в Эль-Пасо, Иллинойс летом 1989 г. Несколько гибридов с малым содержанием масла Пионер 3377, Пионер 3379, Пфистер 2995 и с высоким содержанием масла (X 124, Kernoil^®-4, X122, X326 и Х327) использовались в качестве женских растений и были опылены вручную пыльцой, полученной либо от инбредного сорта с низким содержанием масла (LH123), либо с высоким его содержанием (LP II). Ручное опыление производилось способами, хорошо известными специалистам-кукурузоводам. Гибридные семена, полученные на этих почвах, собирались с отдельных зрелых початков и высушивались. Зерна с каждого початка, прошедшие анализ на содержание масла, высушивались до менее 8% влаги. Содержание масла в целых зернах определялось широколинейной ядерной магниторезонансной спектроcкопией (Alexander D.E. L.Silvela, F.I.Collins and R. C. Rodgers, 1967, Analysis of Oil Content of Maize by Wide Line NMR, J. Am. Oil Chem, Soc. 44: 555-558) и выражалось в процентах от сухого вещества.

Данные табл. 2 доказывают, что эффект "ксении" на содержание масла относился не только к скрещиваниям, в которых для женских растений использовались только инбредные линии. Гибридные зерна, полученные от скрещивания гибридов либо с высоким, либо с низким содержанием масла (использованных в качестве женских растений) с инбредными сортами с высоким содержанием масла в качестве опылителей, сами имели высокое содержание масла. Подобным же образом зерна, полученные от скрещивания гибридных женских растений, имеющих высокое содержание масла, с инбредными мужскими семенами, имеющими низкое содержание масла, также имели высокое содержание масла, хотя в этом случае содержание масла в гибридных зернах было ниже, чем в материнских родительских растениях с высоким содержанием масла. Скрещивание между гибридами, имеющими низкое содержание масла, и инбредными растениями с низким содержанием масла, дало результат в виде зерна с низким содержанием масла.

Во всех комбинациях, включающих по меньшей мере одного родителя с высоким содержанием масла, содержание масла в зернах, собранных с материнских растений, приближается к межродительскому уровню.

Таким образом, если гибридное женское растение с высоким содержанием масла используется в качестве родителя в скрещивании, полученные гибридные зерна после опыления инбредным растением также имеют высокое содержание масла.

Сорта Пионер 3377 и 3379 можно приобрести у компании Пионер Гибриды, Джонстон Сити, Айова.

Сорта Пфистер 2995, Kernoil^® -4 и -8 можно приобрести у компании Гибриды Пфистера, Эль Пасо, Иллинойс.

Пример 3. Иллюстрация того, что зерно, полученное на гибридах кукурузы с низким содержанием масла, опыленных гибридами с повышенным содержанием масла, имеет значительное содержание масла.

Зерно, полученное от гибридного сорта Пфистер 3450 и нескольких гибридов (X121, X325, X326, X327, X3338 и X354) с высоким содержанием масла и собранное в центральных кукурузоводческих районах США, было посеяно около Розарио, Аргентина в октябре 1989 г. и выращивалось в течение следующего сезона. Ручное опыление производилось способами, хорошо известными кукурузоводам. Гибридные зерна, полученные на этих початках, были собраны созрелых початков и высушены. Большинство зерен с каждого початка были проанализированы на содержание масла в неповрежденных зернах методом почти инфракрасный спектрофотометрии. В содержание масла была введена поправка на влагу и оно было выражено в процентах к сухому весу зерна. Межродительские результаты были вычислены как среднее содержание масла, обнаруженное в самоопыленном зерне, полученном с сибсовых мужских и сибсовых женских растений.

Из табл. 3 можно сделать вывод, что гибриды, имевшие высокое содержание масла, когда их выращивали в кукурузном поясе США, не имели такого содержания, когда их выращивали в Аргентине (сорта X325, X338, X326, X327), хотя сорта X354 и X121 проявляли себя как гибриды с высоким маслосодержанием в этих испытаниях. Тем не менее даже в этой окружающей среде маслосодержание гибридов, используемых в качестве опылителей, было значительно выше, чем в гибридном сорте, используемом в качестве материнского растения. Гибридные зерна, полученные от этих скрещиваний, опять имели маслосодержание такое же или превышающее маслосодержание их межродительских сортов. Это доказывает, что эффект "ксении" на количество масла очевиден, когда гибрид с низким маслосодержанием опыляется различными гибридами с уровнем маслосодержания, значительно превышающем этот уровень в гибриде, применяемом в качестве материнского растения. Сорт Пфистер 3450 можно приобрести в товарных объемах у компании Гибриды Пфистера, Эль Пасо, Иллинойс.

Пример 4. Иллюстрация того, что зерна, полученные от кукурузного гибрида с малым содержанием масла, свободноопыленного растениями синтетической популяции кукурузы с высоким содержанием масла, сами имеют большое содержание масла.

Крупномасштабный исследовательский эксперимент был проведен в Гумбольде, шт. Айова летом 1990 г. для определения урожайности и качества зерна, полученного от початков гибридов с мужской стерильностью, опыленных опылителем ASKC28 с высоким содержанием масла. В эксперименте имелось несколько участков, засеянных различными популяциями гибрида Пфистера 3000ms с мужской стерильностью и малым содержанием масла, вперемежку с постоянной популяцией ASKC28 с мужской стерильностью и высоким содержанием масла.

Для облегчения распознавания этих двух сортов во время сбрасывания пыльцы семена ASKC28 были посеяны на расстоянии нескольких дюймов в сторону от каждого рядка, содержащего Пфистер 3000ms. Контрольные делянки были засеяны различными количествами только гибрида Пфистер 3000 с низким содержанием масла и мужской фертильностью (смесь из 50% Пфистер 3000 с мужской фертильностью и Пфистер 3000 с мужской стерильностью (ms).

Сорта Пфистер 3000 и Пфистер 3000ms изогенны и предположительно должны вести себя одинаково в отношении урожайности и качества зерна. Эксперимент включал в себя полный блок опытов с четырьмя повторами каждого варианта. Для уменьшения распространения пыльцы между блоками каждый блок был окружен со всех сторон 100 футами (приблизительно 33 м) сорта Пфистер 3000ms.

Зерна на всех растениях были получены свободным опылением. Поскольку сорт Пфистер 3000ms обладает мужской стерильностью и дает мало пыльцы или совсем ее не дает, считают, что зерна, полученные с початков растений ASKC28 или Пфистер 3000ms, получаются в большинстве случаев в результате оплодотворения пыльцой ASKC28. При созревании несколько початков каждого повтора каждого варианта опыта сбирались отдельно, высушивались на початке, обрушивались и зерна собирались вместе от каждого повтора опыта в каждом варианте. Общая концентрация масля обрушенных зерен определялась гравиметрическим способом согласно методу 920.39 Ассоциации Официальных Аналитических химиков (США) и приводится в данном примере в процентах от содержания сухого вещества.

Содержание масла в зернах, полученных из початков гибридного сорта Пфистер 3000 с низким содержанием масла и синтетического сорта ASKC28 с высоким содержанием масла указано в табл.4.

Зерна, полученные на початках ASKC28 после свободного сибсового опыления растениями ASKC28, имели значительно более высокие уровни маслосодержания, чем зерна, полученные на гибридном сорте Пфистер 3000 (свободно-опыленной пыльцевой Пфистер 3000) на всех густотах посева испытанных популяций растений.

Содержание масла в зернах, полученных с растений Пфистер 3000ms, опыленных пыльцой ASKC28, указано в табл. 5. При общей густоте посева 24000, 28000 и 32000 растений на акр эти зерна имели значительно более высокую концентрацию масла, чем зерна, полученные на свободно-опыленных гибридных растениях Пфистер 3000 с мужской фертильностью при той же или меньшей общей густоте посева. Например, при общей густоте посева 24000 растений на акр маслосодержание в зернах, полученных на растениях Пфистер 3000ms (опыленных ASKC28), составляло 11,1% увеличение на 149% над маслосодержанием свободно-опыленных растений Пфистер 3000 с мужской фертильностью (4,46%). Эта густота посева приближается к цифре, используемой товарными производителями зерна в высокоурожайных зонах кукурузного пояса США.

Наконец, максимально возможная концентрация масла в зернах, полученных от сорта Пфистер 3000ms, опыленного ASKC28, может быть выше, чем указано в этом примере, потому что ввиду неполной стерильности Пфистера 3000ms любое загрязнение пыльцы привело бы к снижению маслосодержания в зернах, полученных с растений сорта Пфистер 3000ms.

Взятые вместе данные табл. 4 и 5 ясно показывают эффект "ксении" на содержание масла в гибридных зернах, полученных после опыления сорта Пфистер 3000ms с малым содержанием масла растениями сорта ASKC28.

Сорта Пфистер 3000 и 3000ms можно приобрести в компании Гибриды Пфистера, Эль Пасо, Иллинойс.

Пример 5. Иллюстрация того, что зерна, полученные с инбредных сортов кукурузы с низким содержанием олеиновой кислоты, скрещенных с инбредными растениями с высоким содержанием олеиновой кислоты, сами имеют большое содержание олеиновой кислоты.

Инбредные сорта или линии кукурузы с высоким или низким содержанием олеиновой кислоты в зернах, полученных после самоопыления, были посажены в ноябре 1990 г. или 1991 г. в Молокаи, Гавайские острова, или летом 1990 г. в Исследовательском Центре Стайн-Гаскелл Компания Дюпон в Ньюарке, Делавар. Эти линии опылялись сами собой, сибсовым или перекрестным способом вручную, как хорошо известно кукурузоводам и описано в общей форме в примере 1. По созревании початки были убраны вручную, высушены и обрушены.

Для определения содержания олеиновой кислоты в масле кукурузных семян масло было получено из измельченных зерен путем экстрагирования гексаном или хлороформом и обработки метилатом натрия. Полученные метиловые эфиры жирных кислот были отделены капиллярной газовой хроматографией. В данном примере содержание олеиновой кислоты выражено в процентах к общему содержанию жирных кислот в экстракте масла.

Как видно из табл. 6, гибридные зерна, полученные путем опыления низкоолеиновых инбредных сортов B73 или LH51 пыльцой, полученной от высокоолеиновых инбредных сортов Va35, LH24 и B73ol, имели значительно более высокий уровень олеиновой кислоты, чем зерна, полученные путем самоопыления или сибсового опыления самих низкоолеиновых инбредных родительских растений.

Эти данные иллюстрируют четкий эффект "ксении" на процентное содержание олеиновой кислоты в гибридных зернах, полученных опылением низкоолеиновой кукурузной линии высокоолеиновой кукурузной линией.

Инбредный сорт Va35 можно приобрести в техническом факультете Вирджинского технического университета, Блекбург, Вирджиния. Инбредный сорт B73 широко доступен, в частности, в Университете шт. Айова, Агротехнический факультет, Эймс, Айова. Инбредный сорт LH24 можно приобрести в Семеноводческом Фонде Холденс, Вилиамсбург, Айова.

Пример 6. Иллюстрация того, что зерна, полученные на гибридной кукурузе с низким содержанием белка, свободнораспыленной растениями синтетической популяции кукурузы с более высоким содержанием белка, сами имеют повышенное его содержание.

Зерна, полученные от синтетического сорта ASKC28 с высоким содержанием масла и гибридные Пфистер 3000 и Пфистер 3000ms с низким маслосодержанием, упомянутые в опыте, описанном в примере 4, анализируют на общую концентрацию белка при помощи модификации способа Kyeldhal, описанного в методе 988.05 Ассоциации Официальных Химиков Аналитиков. По всему этому примеру содержание белка в зернах кукурузы приведено в процентах от сухого веса.

Содержание белка в зернах, полученных с початков гибридного сорта Пфистер 3000 после свободного опыления, и его содержание в зернах, полученных от сорта ASKC28 после свободного опыления, приведено в табл. 7. Зерна, полученные со свободно-опыленных початков ASKC28, имели значительно более высокий уровень белка, чем зерна гибридного Пфистер 3000 после сибсового опыления при всех опытных густотах насаждения.

Содержание белка в зернах растений сорта Пфистер 3000ms, опыленных растениями сорта ASKC28, приведенно в табл. 8. При общей густоте насаждения 24000, 28000 и 32000 растений на акр эти растения имели значительно большую концентрацию белка, чем зерна, полученные со свободноопыленных зерен гибридных растений Пфистер 3000, при тех же общих густотах насаждения (табл.7). Эта разница особенно ярко видна при общей густоте насаждения 24000 растений на акр, где содержание белка в зернах Пфистер 3000ms (опыленных ASKC28) значительно выше (10,22%), чем в свободноопыленных растениях сорта Пфистер 3000 (8,84% ). Эта густота насаждения приближается к той, которая обычно применяется товарными производителями для многих гибридных сортов кукурузы в высокоурожайных районах кукурузного пояса США.

Содержание белка в зерне кукурузы зависит от многих факторов, среди прочих от густоты насаждения и плодородия почвы. Например, из табл. 7 видно, что содержание белка в зернах, полученных от сорта Пфистер 3000 путем свободного опыления, обычно растет с уменьшением густоты насаждения в исследованном диапазоне. Однако содержание белка в зернах Пфистер 3000, полученных свободным опылением (9,95%), приближается к его содержанию в зернах Пфистер 3000ms, опыленных ASKC28, только при наименьшей густоте насаждения, т.е. 14000 растений на акр. Это значительно меньше, чем густота насаждения, обычно используемая товарными производителями кукурузы для многих гибридных сортов в высокоурожайных районах кукурузного пояса США. Возможно, что содержание белка в зернах Пфистер 3000ms после опыления их растениями ASKC28 было бы выше 9,95% при условиях, когда эти два сорта были бы посажены уплотненно с общей густотой насаждения 14000 растений на акр.

Наконец, максимально возможное содержание белка в зернах Пфистер 3000ms после опыления растениями ASKC28 может быть выше, чем указано в примере 6, поскольку любое засорение пыльцы из-за неполной стерильности Пфистер 3000ms привело бы к уменьшению концентрации белка в зернах, собранных с растений Пфистер 3000ms.

Данные табл. 7 и 8 ясно подтверждают эффек "ксении" на содержание белка в гибридных зернах, полученных опылением Пфистер 3000 ms пыльцой растений сорта ASKC28.

Сорта Пфистер 3000 и 3000ms можно приобрести в компании Гибриды Пфистер, Эль Пасо, Иллинойс.

Пример 7. Иллюстрация того, что зерна, полученные от гибрида кукурузы с малым содержанием лизина, свободноопыленного растениями синтетической популяции кукурузы с более высоким содержанием лизина, сами имеют повышенное содержание лизина.

Гибридные сорта Пфистер 3000 и 3000ms с низким содержанием масла и синтетическая популяция ASKC28 с высоким содержанием масла выращивались на опытной делянке в Гумбольдте, Айова в 1990 г. как описано в примере 4. Опытная делянка такого же вида также была создана в Оране, Миссури летом 1990 г. Гибридный сорт (LH119 X ASKC28) в этом опыте использовался в качестве дополнительного опылителя. На обеих делянках зерна, полученные от Пфистер 3000, Пфистер 3000ms, ASKC28 и (LH119 X ASKC28) были свободно опылены, собраны и объединены, как это описано в примере 4.

Концентрация лизина в зернах определялась путем разделения аминокислот с помощью кислотной обработки обезжиренного размолотого зерна при помощи высокоэффективной жидкостной хроматографии. Отдельные аминокислоты разделяют на колонке с использованием нингидриновой реакции. В этом примере содержание лизина в зернах выражено в процентах сухого веса. Содержание лизина в зернах, полученных от сортов Пфистер 3000 и ASKC28 было определено после свободного опыления каждого сорта отдельно. Содержание лизина в гибридных зернах было определено после свободного опыления сорта Пфистер 3000ms пыльцой, полученный от растений ASKC28 или (LH1119 X ASKC28).

Из табл. 9 и 10 видно, что зерна, полученные от сорта Пфистер 3000 после свободного опыления, содержат от 0,194 до 0,235% лизина, что типично для его содержания в большинстве кукурузных гибридов, выращиваемых в кукурузном поясе США. В отличие от этого оба сорта ASKC28 (LH119 X ASKC28) содержат больше лизина, чем Пфистер 3000. Гибридные зерна Пфистер 3000 после опыления пыльцой либо ASKC28, либо (LH119 X ASKC28) также содержат значительно больше лизина, чем зерна свободно-опыленного Пфистер 3000. Данные как табл. 3, так и табл. 10 четко подтверждают эффект "ксении" на концентрацию лизина.

Сорт Пфистер 3000 и 3000ms можно приобрести в компании Гибриды Пфистера, Эль Пасо, Иллинойс.

Пример 8. Иллюстрация того, что зерна, полученные с растений кукурузы с низким содержанием амилозы, опыленных сортом с высоким содержанием амилозы, сами также имеют высокое содержание амилозы.

Зерна кукурузы обычно содержат крахмал, состоящий приблизительно из 75-80% амилопектина и 20-28% амилозы. Многие гены, как известно, оказывают влияние либо на содержание крахмала в зернах кукурузы, либо на состав этого крахмала, либо на то и другое. Для примера, Ae-5180 это ген кукурузы, который заставляет растения кукурузы, имеющие этот ген, производить крахмал, содержащий 72% амилозы. Поскольку это высокое содержание амилозы наблюдается даже в случае, когда растение с высоким содержанием амилозы имеет только один ген Ae-5180 (PLant Biotechnology, February 1991, Office of Biotechnology, Lowa, State University, Ames, Iowa), пыльца растений, имеющих ген Ae-5180, проявляет эффект "ксении" на процентное содержание амилозы, получаемый в кукурузных зернах женских растений.

Женские растения кукурузы, будь то инбредные или гибридные растения или гены синтетических или естественных популяций, или любые другие сорта кукурузы, будут опыляться мужскими растениями кукурузы, которые тоже могут быть инбредными, гибридными, членами синтетических или естественных популяций, или любыми другими сортами кукурузы. Гибридные зерна, получаемые на женских растениях кукурузы, будут содержать крахмал с повышенным процентом амилозы по сравнению с ее количеством, полученным от женских растений кукурузы после сибсового или самоопыления. Уровень содержания амилозы в гибридных зернах либо приблизится к ожидаемому межродительскому содержанию амилозы, либо превысит его в процентах общего содержания крахмала в гибридных зернах. В этом случае предпочтительный опылитель будет ген Ae-5180, но и другие гены тоже могут присутствовать и проявлять эффект "ксении" на содержание амилозы.

Пример 9. Иллюстрация того, что зерна, полученные с женских растений кукурузы, опыленных растениями кукурузы, имеющими гены содержания пигмента в качестве улучшенной характеристики зерна, будут сами иметь улучшенную пигментацию.

Зерно кукурузы может иметь несколько типов пигмента, включающего среди прочих каротеноиды, ксантофиллы и антоцианины. Некоторые из этих пигментов имеют коммерческую ценность, особенно каротеноиды и ксантофиллы, применяющиеся в производстве, хотя они могут использоваться и в других целях. В других случаях желательно снижение содержания определенных пигментов. Генетика накопления пигментов в кукурузных зернах сложна, но общеизвестна и предполагается, что накопление пигмента в зернах приведет к "ксениям".

Женские растения кукурузы, будь то инбредные или гибридные растения, члены синтетических или естественных популяций, или любые другие сорта кукурузы, будут опыляться мужскими растениями кукурузы, которые также могут инбредными или гибридными растениями, членами синтетических или естественных популяций, или любым другим сортом и имеют улучшенные характеристики в отношении накопления пигмента. В результате гибридные зерна, получаемые на женских растениях кукурузы, будут иметь улучшенные качества, которые либо увеличивают, либо уменьшают уровень пигментации, в зависимости от коммерческих требований.

Сорта кукурузы, содержащие гены, которые управляют накоплением пигмента в зерне, легко доступны для желающих либо путем покупки, либо в многочисленных банках семян, из которых основным является Фонд кукурузы Генетических кооператоров, Университет шт. Иллинойс, Урбана, Иллинойс.

Обобщенные примеры 1, 2 и 3 показывают, что гибридные зерна, полученные от перекрестного оплодотворения линий с высоким и низким содержанием масла, содержат более высокие концентрации масла, чем имеются в родительском растении с низким его содержанием. Это правильно, независимо от того, являются ли сами мужские или женские растения гибридными или инбредными, и имеет место независимо от того, являются ли опылители с высоким содержанием масла членами синтетических популяций, сортами со свободным опылением или частично инбредными растениями, проявляющими различные степени генетической однородности.

Большое количество инбредных и гибридных растений с большим диапазоном концентраций масла могут скрещиваться и производить гибридные зерна со значительно большим маслосодержанием, чем растения, полученные от родителей с малым содержанием масла, а во многих случаях содержание масла в F₁ гибридном семени или зерне приближается к ожидаемым междуродительским уровнем и даже превосходит их.

Примеры 1, 2 и 3 показывают, что передача маслосодержания по наследству в кукурузе подвергается эффекту "ксений", в котором потенциал маслосодержания мужской гаметы влияет непосредственно на количество масла в F₁ гибридном семени или зерне, поскольку растения из двух основных популяций с высоким содержанием масла Иллинойская Масляная и Алексхо Синтетическая - могут передать высокое содержание масла гибридным зернам F₁, возможно, что новые популяции, подпопуляции, сорта, гибридные или инбредные растения, произведенные целиком или частично из этих популяций, также будут обнаруживать "ксении" по маслу. Несколько инбредных растений, происходящих либо от Алексхо Синтетической, либо от Иллинойской масляной кукурузы были пущены в продажу, включая инбредные сорта R802A, R805 R806, которые можно приобрести у директора Экспериментальной сельскохозяйственной станции Иллинойского Университета, Урбана, шт.Иллинойс. Поскольку масло в кукурузе наследуется количественно, возможно, что большинство или все другие сорта с высоким содержанием масла обнаружат эффект "ксении" по маслу во время испытаний.

Пример 4 демонстрирует, что предпочтительный опылитель ASKC28 с высоким содержанием масла значительно увеличивает маслосодержание гибридных зерен, получаемых от гибрида с низким содержанием масла и с мужской стерильностью, свободно опыленного растениями ASKC28 с мужской стерильностью.

Таким образом, способ изобретения демонстрируется в своей предпочтительной форме по отношению к увеличенному содержанию масла в качестве улучшенной характеристики зерна. Следует отметить, что сорт ASKC28 в примере 4 не является агротехнически улучшенным сортом, не изогенным к женскому гибриду с малым маслосодержанием, он сажается как второстепенный компонент всей кукурузной популяции, и все же эффективен в производстве зерен с высоким содержанием масла, как в самом себе, так и на элитном материнском растении с мужской стерильностью. Зерна, полученные от каждого типа растений, могут собираться на товарное зерно.

Пример 5 показывает, что пыльца высокоолеиновых растений кукурузы, скрещенных с женскими растениями с низким содержанием олеина, производит гибридные зерна с высоким содержанием олеина на женских растениях кукурузы. Три отдельных высокоолеиновых инбредных сорта эффективно производят каждый высокоолеиновые гибридные зерна на женских растениях кукурузы. По аналогии с примерами 1, 2 и 3 возможно, что высокоолеиновые сорта кукурузы, скрещенные в мужском качестве с низкоолеиновыми элитными гибридными сортами кукурузы в качестве материнских, производят высокоолеиновые зерновку или зерно.

Пример 5 иллюстрирует эффект "ксении", дающий высокоолеиновое содержание в качестве улучшенной характеристики гибридных зерен, которые могут быть собраны на зерно, если его получают с агротехнически элитных гибридных женских растений.

Пример 6 показывает, что пыльца, получаемая от растений высокобелковой синтетической популяции ASKC28, сокращенной свободным опылением с низкобелковым элитным гибридом Пфистер 3000ms в качестве женских растений, производит гибридные зерна с более высокой концентрацией белка, чем его концентрация на Пфистер 3000ms после свободного опыления. По аналогии с примером 4 пример 6 показывает способ согласно изобретению в его предпочтительном выполнении в отношении содержания белка, как улучшенной характеристики зерна. По аналогии с примерами 1, 2, 3 и 5 возможно, что сорта с повышенным содержанием белка, кроме ASKC28, будут обнаруживать эффект "ксении" по отношению к концентрации белка и могут быть использованы в качестве опылителей ряда сортов с низким содержанием белка или гибридов для получения зерна с повышенным содержанием лизина согласно способу.

Пример 7 показывает, что пыльца, полученная от растений высоколизиновой синтетической популяции ASKC28, либо от высоколизиновых гибридов (LH119 X ASKC28) или X354, скрещенных свободным отношением с низколизиновым элитным гибридом Пфистер 3000ms, производит гибридные зерна с более высоким содержанием лизина по сравнению с материнским растением, имеющим меньшее содержание лизина. По аналогии с примерами 4 и 6 пример 7 показывает способ согласно изобретению в предпочтительном его выполнении в отношении увеличенной концентрации лизина, как улучшенного свойства зерна. По аналогии с примерами 1, 2, 3 и 5 возможно, что сорта с высоким содержанием лизина, кроме ASKC28, проявят эффект "ксении" по концентрации лизина и могут использоваться как опылители низколизиновых сортов или гибридов для производства высоколизинового зерна, как описано в способе.

Пример 8 показывает, что зерна, получаемые с сортов кукурузы с низким содержанием амилозы, после опыления их определенными высокоамилозными сортами произведут гибридные зерна с высоким содержанием амилозы. По аналогии с примерами 4, 6 и 7 возможно, что гибридные зерна, получаемые с низкоамилозных элитных гибридных женских растений кукурузы, после свободного опыления некоторыми высокоамилозными сортами кукурузы сами тоже будут иметь высокое содержание амилозы.

Пример 9 показывает, что зерна, получаемые с женских растений кукурузы, опыленных мужскими растениями кукурузы с содержанием пигмента в зерне в качестве его улучшенной характеристики, произведут гибридные зерна, содержащие пигмент в качестве улучшенной характеристики зерна. По аналогии с применением 4, 6 и 7 вероятно, что гибридные зерна, получаемые с женских растений кукурузы, свободно опыленных некоторыми растениями с улучшенным накоплением пигмента, сами будут содержать измененную пигментацию в качестве улучшенной характеристики зерна.

Применение эффекта "ксении" является новым способом производства улучшенного зерна фермерами и товарными производителями и будет способствовать быстрому получению важных продуктов кукурузоводства. В силу своей высокой урожайности и производства улучшенного зерна предпочтительным является способ, заключающийся в посадке высокопродуктивного гибрида F₁ в качестве женского растения кукурузы, опыляемого растениями, содержащими гены улучшенных характеристик зерна. Женский гибрид был бы получен от скрещивания цитоплазменного инбредного растения с мужской стерильностью со вторым инбредным сортом, который не восстановит фертильность гибрида.

В качестве альтернативы женским растениям можно придать мужскую стерильность другими способами, например, путем сбивания метелок. Растения кукурузы с генами улучшенных свойств зерна, используемые в качестве опылителей, могут быть инбредными, гибридными разновидностями, синтетическими или чужеземными, а также любыми другими подходящими источниками зародышевой плазмы, содержащими гены улучшенных свойств зерна, обладающие эффектом "ксения". Растения с генами улучшенных свойств зерна, используемые как опылители, можно подсаживать к гибридным женским растениям или сажать рядками, чередующимися с рядками исключительно женских гибридов.

Поскольку зерно с улучшенными свойствами зерновки можно получить либо выборочной уборкой зерна с женских растений, либо, если удается, зерно, полученное в результате самоопыления растений-опылителей, может также убираться и смешиваться с зерном, полученным от женских растений.

Когда содержание масла, белка или лизина является желаемым улучшенным свойством зерна, предпочтительно следует использовать высокопродуктивный гибрид F₁ в качестве женского растения, а сорт ASKC28 в качестве неизогенного сорта, служащего опылителем с произвольным смешением посева двух типов растений и сбором урожая со всех растений. Когда желаемым улучшенным свойством является увеличенное содержание олеиновой кислоты, сорт B73ol следует использовать вместо ASKC28 в качестве наиболее предпочтительного опылителя в вышеописанном способе. Когда необходимо высокое содержание амилозы, сорт ASKC28 следует заменить на Ae-5180 или другой подобный сорт в качестве наиболее предпочтительного опылителя.

Изобретение значительно отличается от известных способов производства зерна в нескольких важных аспектах. Известные способы предполагают, что инбредные, гибридные растения, сорта, популяции или любые другие источники зародышевой плазмы как источник улучшенных свойств зерна должны обладать высокой сочетаемостью с элитными родителями, чтобы произвести гибридные семена, которые впоследствии произведут агротехнически-элитные гибридные растения. Этот гибрид с улучшенными свойствами зерна будет затем высажен в поле и будет подвергнут свободному опылению для производства зерна. В настоящее время необходимы длительные и дорогостоящие программы для того, чтобы вывести инбредные сорта, которые сочетают в себе все хорошо сохраняющиеся положительные свойства, например, урожайность, сопротивляемость болезням, прочность стебля и качество. В предложенном способе первейшим требованием к родителю с улучшенными свойствами зерна и используемому в качестве опылителя является сбрасывание достаточного количества пыльцы для эффективного опыления высокопродуктивных женских растений.

Очень важно, что этот новый способ значительно уменьшает время селекции и усилия, необходимые для выведения инбредных опылителей, требующихся для товарной продукции зерна с улучшенными свойствами. Это происходит благодаря тому, что положительные агротехнические свойства, ключевые для успешного производства зерна, уже заключены в высокопродуктивном гибриде, используемом в качестве женского растения.

Благодаря тому, что изобретение снимает много ограничений с продуктивности родительских линий, необходимых для поддержания существующих способов зернопроизводства, оно позволит быстро наполнить рынок зерном кукурузы с улучшенным качеством. Существующая агротехническая практика может использоваться товарными производителями для немедленного начала производства зерна, обладающего рядом улучшенных свойств.

Изобретение также отличается значительно от известных способов зернопроизводства тем, что согласно этому изобретению необходимо определить направление опыления. В отличие от этого в известных способах имеет место свободное и случайное опыление.

Изобретение значительно отличается от известных способов производства гибридного зерна тем, что женские растения кукурузы могут быть неизогенными по отношению к сорту кукурузы, служащему опылителем. Известны способы зернопроизводства предполагают свободное опыление между растениями, принадлежащими к одному гибридному сорту на фермерском поле или к смеси изогенных гибридов с мужской стерильностью и мужской фертильностью. В любом случае в известных способах зернопроизводства как женские растения, так и растения-опылители либо изогенны, либо принадлежат к одному и тому же сорту. Это справедливо независимо от того, полевая или специальная кукуруза выращивается на зерно. Разработка таких изогенных материалов требует больших усилий, затрат и времени.

Наконец, в случае, когда желаемым улучшенным качеством является содержание масла, если сорт с высоким маслосодержанием, служащий опылителем, генетически однороден (т. е. существенно инбредный или гомозиготный), зерно, собираемое по заявленному способу, может также быть по существу однородным по содержанию масла и общему качеству. В отличие от этого зерно F₁, полученное от гибридных семян F₁, которые гетерозиготны для генов с высоким маслосодержанием, будет отличаться по содержанию масла от одного семени к другому из-за разделения масляных генов в товарном зерне. Поскольку увеличивающееся содержание масла в зерне обязательно сопровождается увеличением размеров зародышей, зерно, производимое известным способом, будет отличаться до некоторой степени по общему качеству. Однородное качество зерна является важным товарным свойством для мукомольной промышленности. По аналогии однородность улучшенных свойств зерна может быть также увеличена.

Изобретение и его варианты можно применить к производству любого специального зерна, обладающего эффектом "ксении". Это относится не только к кукурузе, но и к любой другой культуре, производящей эндосперму, включающей, среди прочих, сорго, пшеницу, рожь, тритикале, рис, ячмень, овес и различные вида проса.

Кукурузная линия X387 была заложена на хранение по правилам Будапештского соглашения в Американскую коллекцию сельскохозяйственных культур, Роквиль mD20852-1776 14 ноября 1990 г. входящий номер 40917. Кукурузная линия ASKC28 была заложена под номером 75105.

Использование: сельское хозяйство, в частности селекция растений. Сущность изобретения: способ повышения качества зерна кукурузы включает совместный посев родительских форм растений, в качестве которых используют высокопродуктивные женские растения и неизогенные по отношению к ним, обладающие высоким заданным качеством мужские растения-опылители. Даны сведения об использовании различных родительских пар в зависимости от показателя качества, который улучшают. 10 з.п. ф-лы, 10 табл.

1. Способ повышения качества зерна кукурузы, включающий совместный посев родительских форм растений, выращивание, опыление растений и сбор урожая, отличающийся тем, что в качестве родительских форм используют высокопродуктивные женские растения и неизогенные по отношению к женским, обладающие высоким заданным качеством мужские растения-опылители. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при повышении содержания масла в зерне в качестве женских форм используют элитные высокопродуктивные гибриды F₁, имеющие низкое или высокое содержание масла. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при повышении содержания масла в зерне в качестве мужских форм используют инбредные или гибридные растения, или растения-опылители, выделенные из популяции либо из свободно опыляемого сорта с высоким содержанием масла. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве мужских растений-опылителей используют растения с высоким содержанием масла, выбранные из популяций Alexho Synthetic, или Ultra High Oil, или Alexho Elite, или Иллинойских вариантов Disease Oil, или Jowa 2 Ear, или Reid Yellow Dent, или Jowa Stiff Stalk Synthetic. 5. Способ по п.3, отличающийся тем, что в качестве мужских растений-опылителей используют растения с высоким содержанием масла, относящиеся к Иллинойскому варианту High Oil сорта Burr's White. 6. Способ по п.4, отличающийся тем, что в качестве растений-опылителей используют растения, полученные из семян ASKC 28. 7. Способ по пп.1 5, отличающийся тем, что при повышении содержания масла в зерне растения родительских форм кукурузы выращивают в чередующихся рядках, при этом зерно собирают с женских растений. 8. Способ по пп.1 6, отличающийся тем, что при повышении содержания масла в зерне растения родительские формы произвольно подсевают в рядках, при этом зерно собирают как с женских, так и мужских растений. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что при повышении содержания белка или лизина в зерне в качестве растений-опылителей используют растения, полученные из семян ASKC 28. 10. Способ по п.1, отличающийся тем, что при повышении содержания олеиновой кислоты в зерне в качестве растений-опылителей используют растения сорта Va 35, или LH 24, или B73ol. 11. Способ по п.1, отличающийся тем, что при повышении амилозы в зерне в качестве растения-опылителя используют растения с геном Ае-5180.