СПОСОБ ОТБОРА МОРОЗОСТОЙКИХ ФОРМ АЛЛОПЛАЗМАТИЧЕСКОЙ РЖИ Российский патент 2002 года по МПК A01H1/04 

Изобретение относится к сельскому хозяйству, в частности селекции растений на сочетание адаптивности и продуктивности, и может быть использовано в селекции аллоплазматических форм озимой ржи и других полиплоидных культур.

Известен способ выделения единичных растений аллоржи в обширном потомстве естественных пшенично-ржаных гибридов F₁ (7). Аллорожь, полученная таким путем, имеет низкую зимостойкость, что затрудняет ее использование в селекции. Кроме того, исходный пшеничный плазмон по мере роста, развития растений и со сменой поколений остается в геноме аллоржи только фрагментарно (12). Для селекции же важны более глубокие и необратимые генетические преобразования генома аллоплазматической ржи, в том числе и ее плазмона.

Известен способ получения аллоржи путем гибридизации гексаплоидных и октоплоидных тритикале с диплоидной или тетраплоидной рожью (12). Такая аллорожь, во-первых, имеет гибридное происхождение, т.е. цитоплазма ее не полностью пшеничная, во-вторых, зимо- и морозостойкость аллоржи невысокая, поскольку используемые тритикале не отличаются высокими показателями адаптивности (3).

Известен способ получения аллоржи путем воздействия колхицина на клоновое потомство пшенично-ржаного амфидиплоидна F₁ и фрагментации полигенома гибрида на исходные компоненты с элиминацией геномного компонента пшеницы (1). Колхицин вызывает комплекс цитогенетических нарушений, как правило, получаемые формы нестабильны. К тому же, колхицин концерогенен, обладает длительным мутагенным последействием. Известен способ обособления моногенома ржи в соматических клетках меристемы октоплоидного и гексаплоидного тритикале обработкой молодых проростков химическими веществами (12). Октоплоидные тритикале более склонны к спонтанному сбалансированию в сравнении с гексаплоидными и работать с ними проще. Применение химических веществ (этиленимин, диметилсульфат, нитрозоэтилмочевина), хотя и позволяют разъединять в полигеноме тритикале пшеничный и ржаной компоненты, однако отрицательная реакция ржаного моногенома на мутагены не позволяет ему проявиться, т. е. появление ржи редкое событие. Получаемая аллорожь не обладает высокой морозо- и зимостойкостью.

Известен способ обособления моногеномов пшеницы и ржи действием низкой отрицательной температуры при макроспорогенезе амфидиплоида на основании предположения различной пороговой реакции на температуру хромосомных наборов исходных родительских форм - яровой пшеницы и озимой ржи (Чекуров В.М. Использование пониженной температуры при получении цитоплазменно-ядерных гибридов у колосовых/Известия Сибирского отделения АН СССР (Сер. биол. наук). - 1971. - 15, вып. 3. - С.75-81. - Прототип).

Недостатком прототипа является то, что используется яровая форма амфидиплоида, в связи с чем низкая пороговая температура обособления пшеничных и ржаных хромосом АД при макроспорогенезе в отдельные ядра иная, чем у озимых АД. Опыление рожью позволяет получать только гибридный материал яровой аллоплазматической ржи, зимостойкость и морозостойкость которой, естественно, низкие. Цитоплазма выделенной аллоржи включает фрагменты цитоплазмы обычной культурной ржи, то есть гибридная.

Морозостойкость озимой ржи в значительной мере контролируется цитоплазматическими генами, генетическое улучшение которых происходит под влиянием жестких непрерывных массовых отборов на низкотемпературном фоне (14). Рекомбиногенез ядерного и цитоплазматического материалов в процессе свободного переопыления растений способствует закреплению действия плазмона на уровень морозостойкости.

Выделение высокопродуктивных адаптивных генотипов возможно при широком формообразовании, наибольшая активность которого отмечается в потомстве вторичных побегов растений-регенерантов отдаленного гибрида, испытавших стресс на момент начала митозного деления клеток меристем узловых побегов (15). Генетическое улучшение адаптивности плазмона вторичных побегов кущения вкупе с рекомбинацией ядерных компонентов позволяет получать засухоустойчивые продуктивные формы.

При выполнении НИР нами обнаружено новое свойство известного признака, а именно воздействие летальных температур вымерзания растений на узел кущения II-III этапов органогенеза цитоплазматически улучшенного по адаптивности гексаплоидного тритикале обеспечивает появление морозостойкой аллоржи.

Сущность нового технического решения заключается в том, что отбор морозостойкой аллоржи ведут в потомстве гексаплоидного тритикале, улучшенного в ряду последовательных генераций по морозостойкости плазмона и обработанного в последней генерации летальными температурами вымерзания, вызывающей полную гибель узлов кущения большинства растений тритикале и обособление в отдельных - моногеномов ржи, регенерирующих в ржаное растение.

Предложенный способ позволяет получать технический результат, заключающийся в отборе морозостойкой аллоржи, характеризующейся улучшенным по морозостойкости плазмоном пшеницы и ядром ржи и регенерирующей из моногенома ржи, обособившегося в полигеноме гексаплоидного тритикале под действием летальных температур вымерзания растений.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показал, что заявляемый способ отличается от прототипа тем, что отбор морозостойкой аллоплазматической ржи проводят среди выживших растений, регенерировавших из обособившихся моногеномов ржи полигенома соматических клеток узла кущения II-III этапов органогенеза гексаплоидного тритикале, обработанного в нескольких генерациях критической, а в последней - летальной температурой вымерзания растений.

Изучение патентной и научно-технической литературы свидетельствует о том, что селекция морозостойкой аллоплазматической ржи обособлением моногенома ржи в полигеноме гексаплоидного тритикале последовательным воздействием на узел кущения критической и летальной температурой вымерзания растений является новой и в селекции с рожью не применялась.

Предложенный способ предусматривает использование известных сведений. Генетическая изменчивость плазмона в сторону повышения зимо- и морозостойкости растений озимых культур достигается жестким многократным массовым отбором на низкотемпературном фоне в условиях континентального климата (14).

Активная рекомбинация ядра растений F₂ отдаленных гибридов с одновременным улучшением адаптивности плазмона клеток меристем узла кущения вторичных побегов под действием стресса обеспечивает регенерацию растений с новым уровнем ядерно-плазменного гомеостаза (15).

Обособление моногенома ржи в соматических клетках меристем полигенома тритикале (в большинстве случаев октоплоидного) достигается действием химических веществ на проростки (12). Ржаной моногеном имеет отрицательную реакцию на химические мутагены и, как правило, погибает, поэтому использование низких отрицательных температур в качестве мутагена предпочтительнее.

Обособление моногенома ржи происходит под действием отрицательной температуры на растения амфидиплоида во время макроспорогенеза ввиду различной пороговой реакции на температуру хромосомных наборов исходных родительских форм (16).

Критическая температура вымерзания растений (В.А.Моисейчик (8) считает, что при этой температуре происходит гибель 50% растений и более) гексаплоидных форм тритикале занимает промежуточное положение относительно таковой озимой пшеницы и озимой ржи (2, 8, 9). Гексаплоидные тритикале уступают по морозостойкости озимой ржи Харьковская 55 на 3,0^oС и превосходят озимую пшеницу Мироновская 808 на 0,5-1,0^oС (9).

Перезимовка растений на низкотемпературном фоне в условиях резко континентального климата в большинстве случаев губительна для сортов озимого тритикале (3). Растения районированных сортов озимой ржи в таких условиях перезимовывают успешнее (13).

У озимых культур первые три этапа органогенеза проходят в осенне-зимне-ранневесенний периоды. Рост и развитие растений осенью на стеллажах и в полевых условиях схожи. Идет закалка и яровизация растений. Как правило, растения уходят в зиму на II этапе органогенеза - фаза кущения, имея 3-5 хорошо развитых побегов (5, 6). Узел кущения, в котором осенью накапливается основное количество питательных веществ, является самым морозостойким органом растения, определяющим в значительной степени перезимовку озимых (8). Низкотемпературный фон обеспечивает более жесткие условия перезимовки, поскольку температура на узле кущения "стеллажных" растений всего на 3-5^oС выше, чем температура воздуха (10, 11). Ранней весной или в длительные оттепели зимой на стеллажах быстрее сходит снег и растения переходят в световую стадию, отмечаются возобновление вегетации и конец II-го начало III-го сравнительного короткого по времени этапа органогенеза (5, 6). Морозостойкость растений этого периода снижается и они в большей мере подвержены губительному действию возврата морозов.

Генетически стабильные, наиболее приспособленные к местным условиям произрастания сорта тритикале являются лучшим материалом для получения аллоржи. В ходе эволюционного процесса видоизменяется в положительную сторону полигеном тритикале, обеспечивающий при гибридизации с рожью получение хозяйственно ценных аллоформ. Созданная таким путем полиплоидная аллорожь Славида хорошо скрещивается с тетраплоидным образцом ржи Зеленоукосная 6Н1, отличается короткостебельностью, склонностью к самоопылению и отсутствием при этом инцухт-депрессии. Имеет хорошую фертильность колоса, формирует крупное зерно (табл. 1).

Зимо- и морозостойкость гексаплоидных озимых тритикале в значительной мере определяется адаптивностью исходных родительских форм. Проведенное нами изучение морозозимостойкости некоторых сортов тритикале в сравнении с озимой рожью и озимой пшеницей наглядно подтверждает это (табл. 2). В среднем за 1995-1996 гг. наибольшую оценку перезимовки имела озимая рожь Таловская 15, наименьшую, исключая тритикале Зенит одесский, - озимая пшеница Волгоградская 84. Гексаплоидные тритикале занимали промежуточное положение, из них предпочтительнее выглядели сорта саратовской и воронежской селекции.

Зимой 1994 г. отмечалось длительное действие отрицательных температур, ниже критических для узла кущения озимой ржи, т.е. летальных даже для ржи, в связи с чем отмечалась полная гибель растений.

В течение зимы и ранней весны 1995-1997 гг. наблюдалось чередование длительных оттепелей с резким падением температуры до низких отрицательных значений, создавая тем самым критические условия на узле кущения растений II-III этапов органогенеза озимых, что подтверждается приведенными в табл. 2 оценками перезимовки. Именно на таком фоне нам удалось провести двукратные массовые отборы морозостойких растений тритикале сорта Тальва 100 и сформировать морозостойкий образец Тальва 100. Ежегодно из трех тысяч растений, уходящих в зиму, к уборке сохранялось не более 20%.

В условиях такой перезимовки у растений тритикале, как правило, происходило повреждение главных побегов, а это стимулирует пробуждение спящих почек к усилению побегообразования (4). Воздействие критических температур вымерзания растений на генотип способствует усилению изменчивости ядерных и цитоплазматических генов, особенно в боковых побегах и регенерации растений с новыми наиболее эффективными ядерно-плазменными отношениями (14, 15).

1998-1999 годы характеризовались крайне резкими перепадами температур с летальным (летальный, согласно определения, данного в БСЭ, т. 14, с. 380 (Большая советская энциклопедия (в 30 томах). Гл. ред. А.М.Прохоров. Изд. 3-е. - М.: Советская энциклопедия, 1973) - смертельный, для популяции - выживание единичных особей от действия какого-то фактора), в большинстве случаев, исходом. Из трех тысяч растений Тальва 100 морозостойкая ежегодно выживало по одному растению и это была рожь. Летальная температура вымерзания узла кущения II-III этапов органогенеза гексаплоидного тритикале меньше, чем ржи, поэтому в таких условиях в первую очередь происходит гибель тритикале. Однако в отдельных генотипах, склонных в деполиплоидизации, идет обособление моногеномов пшеницы и ржи. Выживает же моногеном ржи, имеющий более высокий порог реакции на отрицательную температуру и обеспечивающий за счет большей конкурентоспособности соматических клеток в меристемных точках роста тритикале формирование полноценного растения. Повреждение центральных побегов у сохранившихся растений аллоржи вызывает существенное увеличение побегообразования, в 1998 г. было 36, в 1999 г. - 45 колосоносных побегов на растение (табл. 3). Естественно, что и условия произрастания способствовали улучшению кущения ввиду большей площади питания для растения и создания оптимальных условий для их роста и развития.

Растения аллоржи были короткостебельные, отличались более длинным вегетационным периодом. Сохранение их инцухтом единичных колосьев было безуспешным, однако барьер самонесовместимости у таких растений ослаблен. При свободном и искусственном переопылении колосьев между собой завязываемость составляла 12,8-20,6% (табл. 3). В некоторых цветках отмечалось нарушение развития пыльников.

Выделенная аллорожь имеет диплоидный набор хромосом, судя по высокой ее скрещиваемости с диплоидной рожью Свобода и с аллорожью предыдущего года. Хорошая завязываемость в комбинации с аутотетраплоидной рожью указывает на ослабление барьера скрещиваемости и склонности аллоржи к образованию определенного числа нередуцированных гамет.

Следовательно, низкотемпературный фон в сочетании с критическими и летальными температурами вымерзания растений II-III этапов органогенеза гексаплоидного тритикале обеспечивает получение морозостойкой аллоплазматической ржи из регенерирующих соматических клеток обособившегося моногеномаржи.

На основании анализа известных решений делаем вывод, что наше техническое решение является новым и неочевидным. При этом получен положительный эффект - предложенный способ позволяет создавать морозостойкую аллоплазматическую рожь с комплексом селекционно-ценных признаков.

Сущность предлагаемого изобретения может быть понята из следующего описания.

Подбирают исходный материал, наиболее приспособленный к местным почвенно-климатическим условиям произрастания, предпочтительнее районированный сорт гексаплоидного тритикале.

Проводят в нескольких генерациях массовый отбор перезимовавших растений (интенсивность отбора 20-30%) гексаплоидного тритикале на низкотемпературном фоне после воздействия критических температур вымерзания растений.

Формируют на основе лучших растений, сохранившихся к уборке, морозостойкую популяцию гексаплоидного тритикале.

Высевают морозостойкую популяцию гексаплоидного тритикале на низкотемпературном фоне и действуют на хорошо развитые и закаленные растения II-III этапов органогенеза летальными температурами вымерзания растений.

Отбирают единично выжившие растения и создают оптимальные условия для их роста и развития. Самоопыляют и/или многократно принудительно опыляют собственной пыльцой рыльца незакрывшихся цветков.

Литература
1. Галстян-Аванесян С.Х. Интересный случай дегибридизации пшенично-ржаного стерильного гибрида под влиянием колхицина //Биол. журнал Армении. - 1973. - Т.26. 10. - С.84-87.

2. Гончаров С.В. Методы создания исходного материала для селекции тритикале в условиях ЦЧР России //Автореф. дис.... доктора с.-х. наук. - Рамонь, 1999. - 36 с.

3. Карпачев В.В. Озимые гексаплоидные тритикале и возможности их селекционного улучшения //Автореф. дис.... кандидата с.-х. наук. - Л., 1984. - 17 с.

4. Кумаков В.А. Физиология яровой пшеницы. - М.: Колос, 1980. - 200 с.

5. Куперман Ф.М. Биологические основы культуры пшеницы. - М.: Изд. МГУ, 1956. - 280 с.

6. Куперман Ф.М. Морфофизиология растений. Морфофизиологический анализ этапов органогенеза различных жизненных форм покрутосеменных растений: Учеб. пособие для студентов биол. спец. ун-тов. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. школа, 1984. - 240 с.

7. Мейстер Г.К., Мейстер Н.Г. Ржано-пшеничные гибриды. Морфогенез гибридов и проблема использования их для выведения зимостойких сортов пшеницы. - М.: Сельхозгиз, 1923. - 220 с.

8. Моисейчик В. А. Агрометеорологические условия и перезимовка озимых культур. - Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 296 с.

9. Полтарев Е.М., Горбань Г.С., Чередниченко В.Н., Сердюк Н.А., Шулындин А. Ф. Пути создания устойчивых к неблагоприятным условиям озимых тритикале, по зимостойкости приближающихся к озимой ржи, по продуктивности превосходящих интенсивные пшеницы./Методические рекомендации. - Харьков, 1987. - 31 с.

10. Прашил И., Гудечкова Е., Папазисис К., Замечник Й. Оценка зимостойкости и морозоустойчивости зерновых культур. - Вопросы селекции и генетики зерновых культур. - Прага, 1987. - Вып. 3. - С.197-202.

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

12. Сулима Ю.Г. Тритикале. Достижения. Проблемы. Перспективы. - Кишинев: Штиинца, 1976. - 200 с.

13. Титаренко Л. П. Зимо- и морозостойкость тетраплоидной озимой ржи//Научные основы селекции сельскохозяйственных культур в ЦЧЗ/Науч. тр. НИИСХ ЦЧП им. В.В.Докучаева. - Каменная Степь, 1985. - С.12-18.

14. Титаренко А. В., Титаренко Л.П. Способ селекции озимой ржи//Патент 2080054. - 1997. - Бюл. 15.

15. Титаренко Л. П. , Титаренко А.В. Способ селекции растений злаковых культур//Патент 2125365. - 1999. - Бюл. 3.

16. Чекуров В. М. Использование пониженной температуры при получении цитоплазменно-ядерных гибридов у колосовых //Известия Сибирского отделения АН СССР /Серия биол. наук. - 1971. - Вып. 3, 15. - С.75-81.

Изобретение предназначено для использования в области селекции растений. Способ включает воздействие на растение отрицательными температурами. При этом воздействию подвергается узел кущения растений гексаплоидного тритикале II-III этапов органогенеза. Последовательно в нескольких генерациях воздействуют критическими температурами вымерзания растений, а в последней - летальными. После этого проводят отбор выживших растений. Изобретение позволяет отобрать аллоплазматическую рожь, характеризующуюся улучшенным по морозостойкости плазмоном пшеницы и ядром ржи. 3 табл.

Способ отбора морозостойких форм аллоплазматической ржи, включающий воздействие на растение отрицательными температурами и отбор аллоплазматических форм, отличающийся тем, что воздействию подвергается узел кущения растений гексаплоидного тритикале II-III этапов органогенеза, причем последовательно в нескольких генерациях воздействуют критическими температурами вымерзания растений, а в последней - летальными, после чего отбирают выжившие растения.