Создание и оценка исходного материала для селекции на гетерозис свеклы столовой (Beta vulgaris L.)

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Специальность: 06.01.05 - Селекция и семеноводство сельскохозяйственных растений

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Тема:

Создание и оценка исходного материала для селекции на гетерозис свеклы столовой (Beta vulgaris L.)

Ветрова Светлана Александровна

Москва - 2011

Работа выполнена в лаборатории селекции и семеноводства столовых корнеплодов ВНИИ селекции и семеноводства овощных культур в 2007-2010 годах

Научный руководитель доктор сельскохозяйственных наук, профессор Федорова Маргарита Ивановна

Официальные оппоненты:

доктор сельскохозяйственных наук профессор Буренин Валентин Иванович

доктор сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник Бондарева Людмила Леонидовна

Ведущая организация:

Российский государственный аграрный университет - Московская сельскохозяйственная академия им. К.А. Тимирязева

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИССОК

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 220.019.01 доктор с.-х. наук, старший научный сотрудник Пышная О.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время одно из приоритетных направлений селекции свеклы столовой - создание гетерозисных межлинейных гибридов. Гибриды F₁ превосходят родительские формы по урожайности в среднем на 30-50%, отличаются устойчивостью к болезням и вредителям, неблагоприятным условиям среды, выравненностью, скороспелостью, лежкостью, высокими вкусовыми качествами, обеспечивают более надежную защиту авторских прав.

Наибольший эффект гетерозиса достигается при максимальной гибридности потомства. Для достижения этой цели используют различные генетические системы размножения растений, в частности цитоплазматическую мужскую стерильность (ЦМС).

Работы по созданию гибридов свеклы столовой на основе ЦМС в России в настоящее время находятся на начальном этапе. В государственном реестре селекционных достижений на 2011 год зарегистрировано 77 сортов и гибридов свеклы столовой, из них 11 гибридов F₁ зарубежной и 2 - отечественной селекции. Гибриды зарубежной селекции по результатам госсортоиспытания рекомендованы для возделывания в различных регионах нашей страны, отличаются высокой урожайностью, товарностью, выравненностью корнеплодов, однако уступают сортам отечественной селекции по биохимическому составу, вкусовым качествам, лежкости. Задача отечественной селекции - создание гетерозисных гибридов свеклы столовой, конкурентоспособных, с высокими качествами и устойчивостью к биотическим и абиотическим факторам среды. Селекция на гетерозис требует привлечения совершенно нового исходного материала - гомозиготных инбредных линий. В связи с этим большое значение имеет всестороннее изучение разнообразных популяций свеклы столовой, выделение селекционно ценных биотипов и создание на их основе mf и ms линий для получения гетерозисных гибридов.

Цель исследований - поиск, создание и оценка селекционного материала, как исходного, для селекции на гетерозис свеклы столовой.

Задачи исследований:

1. Оценить коллекционный и селекционный материал свеклы столовой по комплексу хозяйственно ценных признаков и на основе выделенных создать перспективные исходные инбредные потомства.

2. Изучить особенности фенотипического проявления признака ЦМС свеклы столовой.

3. Изучить особенности проявления и наследования признака ЦМС инбредных потомств.

4. Оценить инбредные потомства по комплексу морфо-биологических и хозяйственно ценных признаков.

5. Изучить наследование основных морфо-биологических и хозяйственно ценных признаков комбинаций скрещивания, полученных на основе ЦМС.

Научная новизна результатов исследований. Показана возможность получения ms-форм с высокой степенью стерильности в инбредных потомствах I₁-I₂ сортовой (Нежность) и гибридных (Red Klaud, Red Ace) популяций. По характеру окраски выделено четыре типа пыльников ms-растений. Показана взаимосвязь окраски пыльников с их диаметром; числом, диаметром и стерильностью пыльцевых зерен. Установлена отрицательная зависимость между степенью стерильности растения и функциональными характеристиками мужского микрогаметофита фертильных цветков: с увеличением степени стерильности уменьшаются диаметр, жизнеспособность фертильной пыльцы, длина пыльцевой трубки (r = -0,84; -0,88; -0,85 соответственно).

Показано отсутствие взаимосвязи между степенью стерильности исходного генотипа и характером проявления этого признака в инбредном потомстве: в инбредных потомствах ряда генотипов с высокой степенью стерильности признак ЦМС может полностью отсутствовать, в то время как в инбредных потомствах фертильных растений возможно появление полностью стерильных форм.

Впервые использована культура штеклингов для получения фертильных и частично-стерильных инбредных потомств свеклы столовой.

Практическая значимость. Создан перспективный инбредный материал с комплексом хозяйственно ценных признаков: урожайность, товарность, благоприятное соотношение «листовая розетка/корнеплод» - 274/2/2mf, 274/2/3mf, 274/1/2ms, 274/1/4ms, 274/1/7ms; 300/1/2mf, 300/5/1mf; 295/2ms, 295/5ms, 295/7ms. Выделены растения со 100% стерильностью (271/2/34, 300/5/3, 295/5/42, 295/5/43, 295/7/1; 295/7/7) и перспективные mf-формы I_2-4 (227/4/38, 274/5/19, 275/10/6, 324/1/2, 295/7/9, 295/3/12, 295/6/13), на основе которых получены комбинации скрещивания для последующей оценки и выделения закрепителя стерильности. Модифицирован состав питательной среды для проращивания пыльцы свеклы столовой, включающий 25% ПЭГ-6000, 5мг/100мл борной кислоты, 15мг/100мл нитрата кальция. Разработана схема использования штеклингов для получения инбредных потомств за один год.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на Международной научной конференции в РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева (2009 год), на отчетных сессиях аспирантов, а также на заседаниях научно-методического совета ВНИИССОК (2006-2009 годы).

Публикации результатов исследований. По теме диссертации опубликовано 3 печатные работы, в том числе одна в журнале, рекомендованном ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 158 страницах, состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, выводов, рекомендаций, списка литературы и приложения; содержит 17 таблиц, 30 рисунков, 10 приложений. Список использованной литературы включает 197 наименований, в том числе 36 иностранных авторов.

Материалы и методы исследований

Исследования проведены во Всероссийском НИИ селекции и семеноводства овощных культур в лаборатории селекции и семеноводства столовых корнеплодов в 2006-2010 годах. Материал для исследований - образцы отечественной и зарубежной селекции свеклы столовой, из них 13 сортообразцов лаборатории селекции и семеноводства столовых корнеплодов ВНИИССОК, в которых ранее были выделены формы с признаком ЦМС; фертильные и частично-стерильные инбредные потомства (I₁-I₄); гибридные комбинации, полученные на их основе. Всего изучено 90 инбредных потомств, 60 гибридных комбинаций, проанализировано 2500 растений. В работе использованы сортовые (Бордо односемянная - округлая форма корнеплода, Нежность - цилиндрическая форма корнеплода) и гибридные популяции (Red Claud, Red Ace - округлая форма корнеплода).

Изучение образцов свеклы столовой проводили в соответствии с «Методическими указаниями ВИР по изучению и поддержанию мировой коллекции корнеплодов» (1981), с использованием в качестве стандартов сортов Бордо односемянная и Нежность. В селекционном питомнике площадь делянки составляла от 0,5 до 10 м² в зависимости от наличия семян, при норме высева 1 г/м². Во время вегетации растений проводили фенологические наблюдения и биометрические исследования. При уборке проводили качественный и количественный учет урожая; изучали основные морфо-биологические признаки листовой розетки и корнеплода. На хранение закладывали товарные корнеплоды. Лежкость определяли при весеннем анализе подсчетом сохранившихся корнеплодов, в процентах от числа заложенных.

Семенные растения выращивали в защищенном грунте и изучали по следующим признакам: число стеблей, облиственность стебля, форма куста, форма и окраска листьев, окраска стеблей и жилок листа, высота растения, семенная продуктивность. Оценку растений по признаку ЦМС проводили в фазу массового цветения в пределах потомства и индивидуально по растениям. Степень стерильности определяли подсчетом стерильных цветков в процентах от общего числа цветков на растении. Для получения инбредных потомств семенные растения в фазу бутонизации изолировали индивидуальными бязевыми изоляторами.

Семенные потомства выращивали в двулетней культуре, для получения семенного потомства за один год использовали культуру штеклингов по схеме: посадка маточных корнеплодов (февраль) > получение инбредных семян и их посев для выращивания штеклингов (III-IV декада июля) > хранение штеклингов (декабрь-февраль) > посадка штеклингов (февраль).

Для поиска возможных закрепителей ЦМС отдельные ветви полностью стерильных растений скрещивали с фертильными генотипами из той же популяции или потомства. Анализ комбинационной способности линий-опылителей проводили по Савченко В. К. (1984).

Жизнеспособность пыльцы свеклы столовой определяли по методике З.П. Паушевой (1988) путем проращивания на 12 вариантах искусственной питательной среды различного состава, на основе сахарозы и ПЭГ-6000. Микрофотосъемку проводили с использованием цифровой камеры для микроскопа DCM 300 и при помощи фотосистемы Canon A560. Подсчет пыльцевых зерен и измерение их параметров осуществляли с помощью программы «Scope Photo».

Математическую обработку результатов проводили методом дисперсионного анализа по Б.А. Доспехову (1985) с помощью пакета Microsoft Exel.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Изучение коллекционного и селекционного материала свеклы столовой

Изучение морфо-биологических параметров коллекционных и селекционных образцов показало их фенотипическое разнообразие и различную популяционную изменчивость. Ценность для селекции представляют образцы, у которых масса корнеплода составляет больший удельный вес в массе всего растения. По этому показателю среди образцов с округлой формой корнеплода превосходили стандарт на 4-7% №301, №303, №295, №300, №276. Образцы с цилиндрической формой корнеплода по данному признаку были на уровне сорта Нежность, либо уступали ему (табл. 1).

Среди изученных образцов с округлой формой корнеплода большинство характеризовались высокой изменчивостью по массе и диаметру головки корнеплода по сравнению со стандартом. Индекс формы изменялся в пределах 0,9-1,2, как и у корнеплодов сортопопуляции Бордо односемянная. Варьирование этого параметра низкое. В целом в группе коллекционных образцов с округлой формой корнеплода наибольшей изменчивостью по комплексу признаков характеризовались №301, №302, №432; меньшей - №416, №300, №276.

В группе с цилиндрической формой корнеплода получены неоднозначные результаты: по массе товарного корнеплода проанализированные образцы более выровнены в сравнении со стандартом Нежность; по диаметру корнеплода, диаметру головки корнеплода - на уровне стандарта; по высоте и форме корнеплода №273 и №418 более изменчивы по сравнению с сортопопуляцией Нежность, остальные образцы на уровне стандарта. Наибольшей выравненностью по изученным признакам характеризовались №227, №271 и №275.

Наибольшая урожайность в группе образцов с округлой формой корнеплода отмечена у гибридов F₁: №301, №302, №416, прибавка урожая к стандарту составила 24-37%. Данные гибриды также превосходили сорт Бордо односемянная (стандарт) по средней массе товарного корнеплода (на 32-43 г) и по уровню товарности (на 12-13%). Образцы с цилиндрической формой корнеплода по урожайности существенно уступали сорту Нежность (стандарт). Урожайность образцов №227 и №271 снизилась на 25-38%; масса товарного корнеплода и товарность оставались на уровне стандарта (табл. 1).

Исследования структуры семенного растения показали, что одним из наиболее вариабельных признаков является число стеблей (Сv = 17-98%). Семенные растения формировали от 1 до 15 стеблей, большинство изученных растений (60%) были многостебельными. По диаметру стебля изучаемые образцы более выровнены (Сv = 5-42%).

Изучение взаимозависимости между числом и диаметром стеблей семенных растений показало обратную связь. В популяциях с округлой формой корнеплода корреляция между данными признаками составила r = -0,53. Наименьшим диаметром стебля характеризовались растения популяций с большим числом стеблей: №301; №303; №276. В популяциях с цилиндрической формой корнеплода отмечена более выраженная отрицательная взаимосвязь (r = -0,97) между числом и диаметром стеблей. Растения популяций №227, №271, №275 формировали 5 и более стеблей, диаметр которых был существенно меньшим, чем у растений популяции №274, которые сформировали в среднем до 3 стеблей (табл. 2).

Растениям свеклы характерна самонесовместимость, поэтому для создания линий ценны биотипы, способные формировать достаточное количество семян при инбридинге. Семенная продуктивность самоопыленных растений варьировала от нескольких семян до нескольких десятков граммов. Значительная изменчивость по данному признаку отмечена в популяциях: №303, №295, №276, №274 и №275, в структуре которых присутствовали как биотипы с продуктивностью менее 10 г/раст., так и высокопродуктивные формы.

Таблица 1

Характеристика образцов свеклы столовой по хозяйственно ценным признакам и параметрам корнеплода (2007, 2009 годы)

Посевной номер	Название образца	Урожайность	Товарность,%	Масса товарного корнеплода, г	Процент листовой розетки в массе растения	Корнеплод
		кг/м2	к стандарту,%				высота, см	диаметр, см	индекс формы	диаметр головки, см
					х	Сv,%		х	Сv,%	х	Сv,%	х	Сv,%	х	Сv,%
Бордо односемянная st	3,7	100	86	258	26	26	7	11	8	9	0,9	11	2,5	13
301	Ружет F1	5,1	137	99	301	50	19	8	17	8	22	1,0	17	3,1	22
302	Водан F1	4,6	124	98	300	66	36	8	33	8	18	1,0	14	2,8	38
303	Кестрел F1	2,9	78	97	212	31	19	7	12	7	12	1,0	1	3,0	24
416	Боро F1	4,8	130	99	290	6	40	9	17	8	11	1,1	8	2,7	17
432	Red Klaud F1	2,9	78	98	273	45	35	9	33	8	28	1,1	7	3,7	43
295	Red Ace F2 (гибр. попул.)	3,0	81	95	162	31	22	9	16	7	12	1,2	6	2,0	18
300	Red Klaud F2 (гибр. попул.)	1,5	40	94	178	21	26	7	11	7	8	1,0	4	2,1	13
276	Семья №1 (Б.О.)	2,2	59	84	194	24	21	7	13	8	10	0,9	14	2,3	22
НСР05	0,9
Нежность st	4,0	100	86	223	37	18	12	20	6	14	2,0	23	1,7	22
227	Нежность, семья №1 (I2)	3,0	75	91	215	25	18	12	11	6	9	2,0	12	1,9	20
271	Нежность, семья №2 (I2)	2,5	62	94	211	22	20	11	13	5	13	2,2	16	2,1	16
273	Нежность, семья №3 (I2)	2,2	55	72	193	26	20	10	41	5	17	2,0	47	2,0	3
274	Нежность, семья №4	1,8	45	90	181	28	18	10	17	6	13	1,7	20	1,7	21
275	Нежность, семья №5	2,2	55	82	179	25	18	10	13	6	10	1,7	15	1,8	16
418	Нежность, семья №9	2,0	50	87	349	10	30	17	38	8	15	2,1	37	4,1	22
НСР05	0,7

Таблица 2

Морфо-биологические параметры семенных растений свеклы столовой (2008, 2010 годы)

Номер образца	Число стеблей, шт.	Сv,%	Процент растений с числом стеблей	Диаметр стебля, см	Сv, %	Процент растений с диаметром стебля	Высота растения, см	Сv, %	Процент растений с высотой
	x	min	max		1-5	6-10	>10	x	min	max		?1см	>1см	x	min	max		<50см	50-100см	>100см
Округлая форма корнеплода
301	9	3	12	33	20	30	50	0,8	0,6	1,1	18	90	10	87	70	120	16	0	90	10
302	2	1	3	71	100	0	0	1,5	1,1	1,8	34	0	100	125	100	150	28	0	50	50
303	5	1	11	93	50	33	17	1,2	1,0	1,4	12	17	83	102	90	110	7	0	67	33
416	3	1	5	64	100	0	0	1,7	1,2	2,2	26	0	100	117	100	160	46	0	40	60
432	4	1	7	74	50	50	0	1,8	1,2	2,3	33	0	100	43	17	60	45	50	50	0
295	3	1	5	61	100	0	0	1,8	0,8	2,8	41	25	75	115	95	140	14	0	25	75
300	4	1	9	93	50	50	0	1,8	1,3	2,3	28	0	100	103	90	120	13	0	50	50
276	5	1	12	70	54	37	9	0,9	0,5	1,2	29	88	12	110	85	125	13	0	38	63
Цилиндрическая форма корнеплода
227	5	1	7	61	50	50	0	0,9	0,7	1,3	33	50	50	118	100	130	11	0	25	75
271	12	5	15	50	33	0	67	0,8	0,6	1,1	33	67	33	83	55	110	37	33	33	33
274	3	1	8	98	80	20	0	1,6	0,7	2,3	42	40	60	115	95	130	17	0	40	60
275	7	3	9	34	27	73	0	0,8	0,4	1,1	22	89	11	106	95	130	14	0	54	66

селекционный фенотипический инбредный столовый свекла

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Выделены индивидуальные растения с высокой семенной продуктивностью (37-49,9 г/раст.) среди мало- и многостебельных семенных растений сортовых (№275, №276, №416) и гибридных (№295, №300) популяций.

С целью поиска стерильных биотипов среди сортовых и гибридных популяций проводили оценку по признаку мужской стерильности. Фенотипически стерильность выражалась в виде ярко-красных пыльников, не содержащих фертильных пыльцевых зерен. Из числа изученных образцов (31) свеклы столовой в 13 были выделены растения с признаком ЦМС, у которых частота встречаемости таких растений составила 17-68%. Степень стерильности отдельных растений в гибридных популяциях составляла 15-100%, а в сортопопуляциях от 10 до 45% (табл.3).

Таблица 3

Характеристика образцов свеклы столовой по признаку стерильности

Посевной номер	Процент стерильных растений	Степень стерильности,%
Гибридные популяции
301	50	100
302	50	100
303	33	60-100
305	40	15-30
415	68	20-100
295	33	30-55
Сортопопуляции
227	17	20
271	33	15
273	100	10
274	68	20-40
275	60	15-45
276	29	25-40
324	68	15-20

Изучение взаимозависимостей между признаком ЦМС и параметрами семенного растения показало, что у образцов с округлой формой корнеплода в группе растений со степенью стерильности менее 50% выявлена средняя прямая корреляция между степенью стерильности, числом и диаметром стеблей (r = 0,55; 0,53) и обратная - с семенной продуктивностью (r = -0,66). У растений с высокой степенью стерильности (более 50%) выявлены более тесные зависимости: сопряженность стерильности с числом стеблей r = 0,7; с диаметром стебля и семенной продуктивностью r = -0,89 и r = -0,91. Среди потомств с цилиндрической формой корнеплода в группе биотипов со стерильностью 30-45% выявлена обратная связь изучаемого признака с числом стеблей r = -0,45 и семенной продуктивностью r = -0,99 (рис. 1).

Таким образом, очевидно, что продуктивность семенных растений при инбридинге снижается. Растения с высокой степенью стерильности характеризовались низкой семенной продуктивностью (до 10 г/раст).

Рис. 1. Взаимосвязь степени стерильности с морфо-биологическими признаками и семенной продуктивностью растений свеклы столовой

Наиболее перспективными для создания линейного материала свеклы столовой являются урожайные популяции с признаком ЦМС, в которых семенные растения способны завязывать достаточное количество семян при инбридинге. В результате анализа данных выделены потомства: №295, №227, №416, №301, №302, сочетающие высокую степень стерильности (>50%) и семенную продуктивность >5 граммов.

Цитоплазматическая мужская стерильность свеклы столовой

Маркерным признаком ЦМС на растениях свеклы столовой как было отмечено ранее в работе Заячковского В.А. (2000г.), является ярко-красная (пурпурная) окраска пыльников. Изучение признака ЦМС в популяциях различного происхождения показало широкий спектр его проявления. По характеру окрашивания различных частей пыльника выделены четыре фенотипические группы с различным уровнем стерильности пыльцы:

I. Прозрачные, слегка-зеленоватые пыльники - пыльца отсутствует.

II. Пыльники, розовые, красные, темно-бордовые, коричневые - окрашены равномерно. В темно-бордовых пыльниках пыльцевых зерен не обнаружено. Красные и розовые пыльники содержат небольшое количество полностью стерильной пыльцы. В пыльниках коричневой окраски пыльцевые зерна деформированы, слипшиеся по 2-6 штук.

III. Пыльники розовые, красные, темно-бордовые - окрашены неравномерно, наиболее ярко окрашена центральная часть пыльника (связник), половинки окрашены частично, либо менее интенсивно, пыльца многочисленна и стерильна.

Рис. 2. Содержание пыльцевых зерен в пыльниках, различных фенотипических групп

IV. Окрашен только связник пыльника - пыльники содержат большое количество пыльцевых зерен, доля стерильных составляет 90-94% от общего числа.

Установлено, что по мере снижения интенсивности окраски пыльника число пыльцевых зерен возрастает (рис. 2), а стерильность пыльцы снижается. То есть, растения с пыльниками I-III групп окраски являются наиболее перспективными исходными формами в качестве материнских компонентов при создании гетерозисных гибридов свеклы столовой.

Отмечена также взаимосвязь между окраской и диаметром пыльников и пыльцевых зерен (рис. 3), при этом она более выражена между окраской и диаметром пыльника. По мере снижения интенсивности окраски пыльников диаметр увеличивается от 0,4 мм до 0,95 мм. Пыльцевые зерна пыльников III и IV групп по диаметру не отличались. Пыльцевые зерна II группы окраски пыльников характеризовались меньшим диаметром.

Рис. 3. Диаметр пыльников (А) и пыльцевых зерен (Б) в зависимости от окраски пыльника

В пределах индивидуального растения признак ЦМС может проявляться как:

- разное соотношение стерильных и фертильных пыльников внутри цветка (4:1; 3:2; 2:3);

- отдельные, полностью стерильные цветки в соцветиях (от 1 до 3шт.);

- ветви, несущие только стерильные цветки (преимущественно ветви первого порядка);

- полностью стерильное растение.

У растений со степенью стерильности до 20% отдельные стерильные цветки располагались в верхней части соцветий, чаще всего на ветвях второго порядка; со степенью стерильности 30-70% наблюдали наличие как полностью стерильных ветвей, так и отдельных стерильных цветков на фертильных ветвях. Растения со степенью стерильности 80-90% характеризовались наличием в стерильных соцветиях отдельных фертильных цветков на ветвях любых порядков.

Для изучения влияния степени стерильности на функциональные характеристики фертильной пыльцы модифицирована питательная среда. Изучено влияние содержания сахарозы и ПЭГ-6000 в питательной среде при различных сочетаниях H₃BO₃ (5-15 мг/100 мл) и Са(NO₃)₂ (10-25 мг/100 мл) на прорастание пыльцы свеклы столовой in-vitro. При 25% концентрации ПЭГ-6000 отмечено минимальное количество лопнувших зерен и длина пыльцевых трубок на 20% и 80% больше, чем на средах, содержащих 20% ПЭГ-6000 и 25% сахарозы. Анализ показал, что доля влияния борной кислоты на прорастание пыльцы выше, чем нитрата кальция, и составляет 48% (нитрат кальция - 31%), тогда как на скорость роста пыльцевых трубок большее влияние оказывает нитрат кальция - 49% (борная кислота - 11%). Оптимальной средой для определения функциональных характеристик пыльцы индивидуальных растений инбредных потомств является: ПЭГ-6000 25%, нитрат кальция - 15 мг/100 мл, борная кислота 5 мг/100 мл.

При сравнительной оценке характера проявления признака стерильности в инбредных потомствах, полученных из сортовых и гибридных популяций, отмечены следующие особенности. Семенные растения, полученные на основе сортопопуляции. Нежность, независимо от степени стерильности, содержали равномерно окрашенные пыльники (красные, коричневые). У инбредных потомств гибридных популяций с разной степенью стерильности этот признак варьировал.

Степень стерильности также влияет и на функциональные параметры пыльцевых зерен полностью фертильных цветков (табл. 4). В потомствах, полученных на основе гибридных популяций, по мере увеличения степени стерильности растения отмечался рост числа стерильной пыльцы в фертильных цветках; в потомствах, полученных из сортовой популяции, подобной закономерности не наблюдалось.

Таблица 4

Проявление мужской стерильности на семенных растениях свеклы столовой и качественная характеристика пыльцы

Инбредное потомство	Степень стерильности растения,%	Фенотипические группы по окраске стерильных пыльников	Фертильная пыльца	Стерильность пыльцы, %
			Диаметр, отн. ед.	ЖСП, %	Длина трубки, отн. ед.
		I	II	III	IV
300/1-4-5	100	+	+	-	-	0	0	0	100
300/1-3-1	80	-	+	+	+	49	0	0	85
300/1-3-3	60	-	+	+	+	53	5	538	47
305/3	30	-	+	+	-	56	37	605	8
274/1-2-15	100	-	+	-	-	0	0	0	100
274/1-7-3	50	-	+	-	-	53	3	314	8
274/1-7-1	40	-	+	-	-	61	20	475	27
274/2-2-10	15	-	+	-	-	56	28	462	6
274/5-6-12	10	-	+	-	-	60	32	472	26

С увеличением степени стерильности растения уменьшаются диаметр и жизнеспособность пыльцевых зерен фертильных цветков (r = -0,84 и r = -0,88 соответственно) и снижается скорость роста пыльцевой трубки (r = -0,85).

Особенности проявления признака ЦМС в инбредных потомствах сортовых и гибридных популяций свеклы столовой

Двулетняя культура. Высокая изменчивость признака «степень стерильности» в сортовых и гибридных популяциях в первых поколениях инбридинга, по-видимому, связана с их гетерогенностью. В потомстве сортопопуляции №274 произошло смещение в сторону биотипов с низкой степенью стерильности (до 20%) и появились новые формы с более высокой степенью стерильности - 50% (рис. 4 А); в потомстве сортопопуляции №275 степень стерильности всех биотипов не превышала 20% (рис. 4Б). Наибольший размах изменчивости признака «степень стерильности» отмечен в инбредном потомстве I₁ гибридной популяции №295 (10-100%), при этом кривая распределения смещается в сторону крайних биотипов (рис. 4В).

Изучение влияния степени стерильности индивидуального растения на проявление признака ЦМС в его инбредном потомстве может быть критерием выделения надежного константного селекционного материала. В изученных инбредных потомствах I₁ проявление признака стерильности не зависело от степени стерильности исходного генотипа (рис. 5). В потомствах частично-стерильных растений (25-40%) сортопопуляции Нежность степень стерильности большинства биотипов не превышала 20%, тогда как в потомствах mf-растений отмечено появление биотипов со степенью стерильности 50%, а в гибридных популяциях Red Ace и Red Klaud -100%.

Рис. 4. Характеристика инбредных потомств популяций различного происхождения по признаку «степень стерильности» (А, Б - сортопопуляции 274 и 275; В - гибридная популяция 295).

По мнению Малецкого С.И. (1995, 1997), появление полностью стерильных растений в потомствах фертильных можно объяснить, с одной стороны, гомозиготизацией при инбридинге ядерных локусов X-x и Z-z гетерозиготных растений, с другой - действием ядерного гена-мутатора, индуцирующего переход N-цитоплазмы в S-состояние у фертильного генотипа Nxxzz. Варьирование признака ЦМС в инбредных потомствах частично-стерильных растений связано с явлением гетероплазмии.

Рис. 5. Проявление признака ЦМС в инбредных потомствах I₁ растений с различной степенью мужской стерильности (А-сортопопуляция Нежность; Б-гибридная популяция Red Ace; гибридная популяция Red Klaud)

Отсутствие признака ЦМС в инбредных потомствах частично-стерильных генотипов со степенью стерильности >50%, по-видимому, можно объяснить не только явлением гетероплазмии, но и нарушением функциональных характеристик пыльцы фертильных цветков этих растений, оплодотворяющая способность которой существенно снижена (табл. 4) и завязывание семян происходит преимущественно в фертильных цветках с цитоплазмой aN>bS. То есть, в данном случае, происходит накопление N фактора и инбредное потомство по фенотипу становится фертильным.

Таким образом, механизм наследования и проявления признака ЦМС в инбредных потомствах свеклы столовой определяется множеством факторов. По результатам проведенных исследований можно сделать вывод, что на начальном этапе создания ms-линий свеклы столовой не следует исключать фертильные растения и растения с низкой степенью стерильности, поскольку существует большая вероятность появления в их потомствах растений с высокой степенью стерильности, или полностью стерильных растений.

Культура штеклингов. С целью получения семенного потомства за один год ин- бредные потомства выращивали через культуру штеклингов. По сравнению с потомствами, полученными в двулетней культуре, в потомствах I₁ сортопопуляции Нежность отмечено увеличение частоты встречаемости стерильных растений и степени стерильности (рис. 6).

Рис. 6. Проявление признака ЦМС в инбредных потомствах I₁, полученных через двулетнюю и культуру штеклингов

В гибридных популяциях инбредные потомства, полученные через культуру штеклингов, при увеличении количества стерильных растений, характеризовались меньшими показателями степени стерильности.

В популяции №274 в 7 из 13 потомств второго поколения инбридинга выделены растения с признаком стерильности. Полностью стерильные растения выделены в потомствах генотипов со степенью стерильности 10-30%: в потомстве 274/1/2 доля таких растений составила 60% от числа изученных; в потомствах 274/1/4, 274/1/3, 274/1/7 - 13, 11 и 9% соответственно. В потомствах 274/2/2, 274/5/5, 274/5/6, также выделены растения с признаком ЦМС, степень стерильности которых не превышала 50%. Второе поколение инбридинга гибридной популяции №300 характеризовалось сравнительно высокими показателями стерильности: в потомстве 300/1/4 доля растений с признаком ЦМС составила 56%, из которых 45% были полностью стерильными; в потомствах 300/1/3 и 300/1/2 отмечено равное число растений с признаком ЦМС - 33%, степень стерильности которых варьировала от 15 до 80% (рис. 7).

Рис. 7. Проявление признака ЦМС в потомствах I₂ сортопопуляции 274 и гибридной популяции 300

В результате анализа инбредных потомств I₁ - I₃ сортовых и гибридных популяций по признаку стерильности выделены: семь - сортопопуляции Нежность (274/5, 274/2 - I₁; 274/1/2, 274/1/3, 274/1/4, 274/1/7 - I₂; 271/2 - I₃), девять - гибридных популяций Red Ace и Red Klaud (295/4, 295/5, 295/2, 295/7, 295/9 - I₁, 300/3, 300/5 - I₁, 300/1/3, 300/1/4 - I₂). Выделенные инбредные потомства являются перспективным исходным материалом для селекции на гетерозис свеклы столовой.

Хозяйственно ценные признаки инбредных потомств свеклы столовой

Растения первого года. Исследования показали, что урожайность корнеплодов фертильных инбредных потомств выше урожая потомств с признаком ЦМС (табл.5). Урожайность потомств с различной степенью стерильности ниже стандартного сорта Нежность на 28-33%, в гибридной популяции Red Klaud на - 17-83%. В гибридной популяции Red Ace по урожайности корнеплодов существенных различий между фертильными и стерильными потомствами не выявлено.

Таблица 5

Характеристика инбредных потомств свеклы столовой по комплексу хозяйственно ценных признаков

Инбредные потомства	Степень стерильности,%	Урожайность, кг/м2	Товарность%	Средняя масса товарного корнеплода, г	Доля корнеплода в массе растения,%
	исходного растения (I1)	в потомстве I1 (I2) min-max
Нежность st	mf	mf	4,0	86	223	82
274/5	mf	10,0-50	1,9	83	178	80
274/1/2	20	50-100	3,6	99	220	83
274/1/4	20	100	3,8	99	261	85
274/1/7	10	90-100	3,7	100	199	82
271/2	10	100	2,5	97	233	79
274/2/3	mf	mf	4,5	93	197	86
274/5/8	mf	mf	4,1	98	193	83
274/2/2	mf	15	4,4	95	178	87
227/4	20	mf	3,4	96	230	87
275/11	15	10,0-20	3,0	92	189	84
275/12	15	10,0-20	2,4	93	177	82
274/4	25	10,0-15	2,3	94	190	80
274/1	40	10,0-15	2,4	79	190	77
274/5/1	50	5	3,0	93	147	76
274/5/6	50	10,0-20	3,0	83	103	82
НСР05	0,4		28,8
Red Ace -st	mf	mf	3,5	95	194	78
295/2	50	50-60	2,9	95	189	77
295/4	mf	60-80	2,9	89	183	79
295/5	mf	10,0-100	3,5	95	180	73
295/7	30	10,0-100	3,3	98	174	78
295/9	mf	80-100	3,0	89	151	76
295/3	mf	mf	3,2	90	177	80
НСР05	0,2		12,8
Red Klaud st	mf	mf	2,9	98	273	65
300/3	mf	100	0,5	96	175	76
300/5	mf	100	1,2	92	218	73
300/1/3	60	60-80	2,0	85	236	84
300/1/4	mf	90-100	2,5	85	225	73
300/2	mf	mf	2,2	87	116	74
300/4	mf	mf	2,2	95	207	75
300/1/2	mf	15-20	4,0	98	130	81
300/5/1	30	mf	3,1	97	182	83
НСР05	0,9		36,9

Инбредные потомства характеризовались также благоприятным соотношением «листовая розетка/корнеплод» при массе товарного корнеплода в пределах 130-260 г. Несмотря на то, что масса корнеплодов потомств несколько уступала массе корнеплодов стандарта, большинство потомств вполне пригодны по комплексу признаков для последующих инбридингов и являются перспективным инбредным материалом.

Установлено, что независимо от происхождения потомств и степени их стерильности наиболее изменчивыми являются площадь листовой поверхности (Сv = 20-46%) и масса товарного корнеплода (Сv = 16-68%). При этом отмечено, что корреляционные связи между отдельными признаками листовой розетки и корнеплода у растений с признаком ЦМС значительно слабее, чем у фертильных биотипов.

Семенные растения, с различной степенью стерильности, характеризовались разными показателями морфо-биологических параметров, что закономерно для инбредных потомств. Наибольшая изменчивость отмечена по числу стеблей (Cv = 53-91%). Инбредные растения формировали от 1 до 23 стеблей, при этом доля одностебельных растений была самой низкой (0-9%) в группе растений с высокой степенью ЦМС, тогда как в группе фертильных биотипов она составляла 4-18% в зависимости от происхождения и поколения инбридинга.

По семенной продуктивности отмечены некоторые различия между потомствами в зависимости от их происхождения, поколения инбридинга и технологии выращивания. При двулетней культуре в потомствах сортопопуляции Нежность наибольшую долю (48%) от числа изученных составляли растения с урожаем семян менее 5 г с растения и 24% с продуктивностью более 30г/растения, при этом растения, стерильность которых превышала 15%, семена при самоопылении не завязывали.

В потомствах гибридных популяций продуктивность большинства растений (41%) составляла от 5 до 15 г/растения, и только один процент растений формировали более 30 граммов семян, при этом, в отличие от сортопопуляции Нежность, семена завязывались и у растений с высокой степенью ЦМС.

Сравнительная оценка семенной продуктивности инбредных растений с различной степенью стерильности, выращенных в двулетней и однолетней культуре представлена в таблице 7.

Таблица 7

Семенная продуктивность растений инбредных потомств с различной степенью стерильности

Технология	Семенная продуктивность, г/раст.
	сортопопуляция Нежность	гибридные популяции
	степень стерильности ms-растений,%	mf-растения	степень стерильности ms-растений,%	mf-растения
	10-20	21-50	51-80		10-20	21-50	51-80
Двулетняя культура	1-12	0	0	2-81	2-22	5-22	3-27	2-55
Однолетняя культура	1-24	1-10	2	1-34	-	-	4	5-31

При выращивании растений через культуру штеклингов получены несколько другие результаты. В потомствах сортопопуляции Нежность способность завязывать семена отмечена у растений с высокой степенью ЦМС (до 80%), продуктивность которых была на уровне ms-растений, полученных через двулетнюю культуру. В группе фертильных биотипов произошло снижение семенной продуктивности, по сравнению с двулетней культурой. В потомствах гибридных популяций большинство фертильных растений по сравнению с растениями в двулетней культуре характеризовались большей семенной продуктивностью.

Высокую вариабельность параметра «семенная продуктивность» свеклы столовой можно объяснить системой самонесовместимости. Как считает И.Я. Балков (1978), на семенных растениях свеклы самонесовместимость может иметь различную степень выраженности. К самостерильным он относит растения, на которых формируется не более 50 семян (до 2 г). Остальные растения относятся к самофертильным, при этом признак самофертильности сохраняется в потомстве.

Как видно на рисунке 8, у большинства инбредных растений в I₂ снизилась семенная продуктивность на 0,7-33,2 г/раст. по сравнению с I₁, однако у потомств 274/1/2; 295/2/1; 295/2/2; 295/2/3; 295/2/9; 300/2/2; 300/5/1 завязываемость семян была высокой как в первом (9,3-31,2 г/раст.), так и во втором (6,8-21,9 г/раст.) инбредных поколениях. Данные потомства можно характеризовать как склонные к самофертильности. Потомства 274/1/3; 274/5/5; 274/5/7; 300/2/4 отнесены к самостерильным, так как характеризовались низкой семенной продуктивностью (0,4-2,0 г/раст.), не зависимо от поколения инбридинга и условий выращивания.

Рис. 8. Семенная продуктивность инбредных потомств (I_1-I₂) свеклы столовой

Таким образом, для селекционной работы к перспективным относятся самофертильные потомства ms и mf растений, способные стабильно формировать достаточное количество семян (> 5 г) при инбридингах, а также потомства со стабильно-низкой семенной продуктивностью (< 2 г), как материнский компонент при гибридизации.

Использование культуры штеклингов дает возможность в один год получать растения с различным проявлением ЦМС, поддерживать фертильные линии сортовых и гибридных популяций, способствует созданию большего числа линейного материала.

На основе биотипов со 100% проявлением ЦМС: 271/2/34 - сортопопуляции Нежность; 295/5/42, 295/5/43, 295/7/1, 295/7/7 - гибридной популяции Red Ace; 300/5/3 - гибридной популяции Red Klaud, получены комбинации скрещивания для выявления закрепителя стерильности.

Характеристика комбинаций скрещивания

На основе разработанной схемы использования штеклингов проведена оценка проявления признака стерильности в комбинациях со 100% ms-формой 271/2/34. Растения с признаком ЦМС выделены в трех комбинациях. От скрещивания с опылителем 273/1/4 получено семенное растение со 100% стерильностью, сформировавшее центральный стебель диаметром 0,8 см и пять боковых. Данное растение отличалось меньшей высотой - 60 см по сравнению с другими. Мужская стерильность выражалась в виде ярко-розовых равномерно окрашенных пыльников.

Остальные комбинации скрещиваний выращивали через двулетнюю культуру. В настоящее время проводится оценка семенных растений этих комбинаций по признаку ЦМС для поиска закрепителей мужской стерильности.

Для оценки опылителей, как перспективных отцовских mf-компонентов проводили изучение комбинаций скрещивания по комплексу хозяйственно ценных признаков. Комбинации, полученные на основе инбредного материала сортопопуляции Нежность, как и родительские формы, незначительно отличались между собой по морфологическим признакам и характеризовались низкой вариабельностью по параметрам листовой розетки, высоте, диаметру, индексу формы корнеплода, диаметру головки корнеплода (Cv = 3-11%). Во всех комбинациях изменилась форма корнеплодов в сторону округло-овальной, с индексом 1,2-1,6, при индексе формы родительских компонентов 1,5-2,1. Наибольшая изменчивость среди изученных признаков отмечена по массе корнеплода - Cv = 22%. Крупными корнеплодами (194-288 г) характеризовались комбинации скрещивания, полученные с участием опылителей 274/5/19, 275/10/6 и 227/4/38. Данные комбинации превышали родительские компоненты и по параметрам листовой розетки. Выделена также комбинация с участием опылителя 324/1/2, которая характеризовалась меньшей долей листовой розетки в массе растения по сравнению с родительскими компонентами и крупными корнеплодами.

Комбинации, полученные на основе инбредного материала гибридной популяции Red Ace, также характеризовались низкой изменчивостью по параметрам листовой розетки Cv = 7-13%; средней - по параметрам корнеплода: высоте, диаметру, индексу формы корнеплода Cv = 15-18%; высокой - по массе корнеплода - Cv = 43%. Наиболее крупные корнеплоды при меньшей доле листовой розетки получены в комбинации 295/7/1x295/7/9.

Корнеплоды большинства комбинаций скрещивания характеризовались округлой и округло-овальной формой с индексом 0,9-1,5, по сравнению с родительскими компонентами (0,8-2,8), и были близки к исходной популяции, корнеплоды которой характеризовались округло-овальной формой (0,9-1,2). Можно предположить, что гибрид Red Ace был создан с использованием ms сахарной свеклы, и разной формой родительских компонентов, в результате чего в инбредных потомствах произошло расщепление по данному признаку. Это предположение можно подтвердить фенотипическим проявлением признака ЦМС на семенных растениях: большая часть цветков несли пыльники, окрашенные только в зоне связника, либо прозрачные слегка зеленоватые пыльники; единичные цветки - розовые равномерно и неравномерно-окрашенные пыльники.

Комбинации, полученные на основе инбредных потомств гибридной популяции 300, характеризовались незначительной вариабельностью по высоте листовой розетки, числу листьев, диаметру и индексу формы корнеплода Cv = 7-10%. Наибольшие различия между ними, как и в группе комбинаций скрещивания на основе популяции 295, отмечены по средней массе товарного корнеплода, которая составила 102-236 граммов. Сравнительно крупные корнеплоды (194 г) при низкой доле листовой розетки - 13% получены в комбинации с участием опылителя 300/5/4.

В результате сравнительной оценки урожайности корнеплодов комбинаций, полученных на основе ms-формы 274/2/34 сортопопуляции Нежность, установлено, что комбинации с участием опылителей 274/5/19 и 227/4/38 по урожайности достоверно превышали лучшего родителя на 1,2 и 2,0 кг/м² соответственно. Среди комбинаций, полученных на основе ms-форм 295/5/42 и 295/7/1 гибридных популяций, выделены комбинации с участием опылителей 295/3/12 и 295/6/13 соответственно, которые превышали лучшего родителя по урожайности на 0,9-1 кг/м². Опылители 274/5/19, 295/3/12 и 295/6/13 характеризовались положительными эффектами ОКС по признаку «масса товарного корнеплода» (ОКС = 22-89).

Таким образом, по результатам оценки хозяйственно ценных признаков комбинаций скрещивания можно выделить следующие опылители: 227/4/38, 274/5/19, 275/10/6, 324/1/2, 295/7/9, 295/3/12, 295/6/13, которые являются перспективным материалом для создания mf-линий при селекции на гетерозис.

ВЫВОДЫ

1. Источниками для получения исходных стерильных растений являются: сортопопуляция Нежность; гибридные популяции: Ружет F₁, Водан F₁, Red Ace F₁, Red Klaud F₁. Частота встречаемости растений с признаком ЦМС в сортовых и гибридных популяциях свеклы столовой составляет 0-68%; степень стерильности отдельных растений в гибридных популяциях - 15-100%, в сортовых популяциях - 10-45%.

2. Фенотипическое проявление признака ЦМС у свеклы столовой изменяется в пределах пыльника (от полностью до фрагментально окрашенных, от прозрачных до бордовых и коричневых), цветка (различное соотношение стерильных и фертильных пыльников от 5:0 до 2:3 соответственно), растения (степень стерильности от 5 до 100%). Выделено четыре типа окраски ms-пыльников и показана взаимосвязь характера окраски с диаметром пыльника, числом, диаметром и стерильностью пыльцевых зерен.

3. При создании ms-линий на начальном этапе селекции следует отбирать частично-стерильные растения, способные при самоопылении стабильно формировать не менее 5 граммов семян, а также формы со стабильно низкой семенной продуктивностью (< 2 г) в ряде инбредных потомств, которые могут быть использованы в качестве материнских компонентов при гибридизации.

4. Установлено, что с увеличением степени стерильности растения уменьшаются диаметр и жизнеспособность пыльцевых зерен фертильных цветков (r = -0,84 и r = -0,88 соответственно), снижается длина пыльцевой трубки (r = -0,85). При инбридинге значительно снижается семенная продуктивность сравнительно с фертильными растениями, которая колеблется в пределах 0,2-26,5 г/растение и 0,5-94,0 г/растение соответственно.

5. При наследовании ЦМС свеклы столовой отсутствует взаимосвязь между степенью стерильности исходного генотипа и характером проявления этого признака в инбредном потомстве. В связи с этим на начальном этапе создания ms-линий методом инбридинга не следует исключать из селекционного процесса фертильные растения и растения с низкой степенью стерильности, поскольку существует вероятность появления в их потомствах ms-растений, в отдельных случаях со степенью стерильности 80-100%.

6. Использование культуры штеклингов дает возможность получать растения с различной степенью мужской стерильности за один год. Инбредные фертильные и частично стерильные растения, полученные через культуру штеклингов, по сравнению с растениями, полученными в двулетней культуре, характеризуются более высокой семенной продуктивностью, что способствует созданию большего числа инбредных линий.

7. Получен перспективный инбредный материал с комплексом хозяйственно ценных признаков: урожайность, товарность, благоприятное соотношение «листовая розетка/корнеплод» - 274/2/2mf, 274/2/3mf, 274/1/2ms, 274/1/4ms, 274/1/7ms; 300/1/2mf, 300/5/1mf; 295/2ms, 295/5ms, 295/7ms, как исходный, для создания ms и mf линий при селекции свеклы столовой на гетерозис.

8. Выделены растения со 100%-ной стерильностью (271/2/34, 300/5/3, 295/5/42, 295/5/43, 295/7/1; 295/7/7) и перспективные mf-формы I_2-4 (227/4/38, 274/5/19, 275/10/6, 324/1/2, 295/7/9, 295/3/12, 295/6/13), на их основе получены комбинации скрещивания для поиска закрепителя и последующей оценки по комплексу селекционных признаков.

Практические рекомендации

1. В качестве источников для получения стерильных форм свеклы столовой использовать сортопопуляцию Нежность и гибридные популяции Red Ace и Red Klaud.

2. Для получения семенного потомства свеклы столовой за один год использовать культуру штеклингов.

3. Для проращивания пыльцы фертильных растений свеклы столовой использовать питательную среду следующего состава: 25% ПЭГ-6000, 5 мг/100мл борной кислоты, 15 мг/100мл нитрата кальция.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Ветрова С.А. Использование сортовых и гибридных популяций свеклы столовой для получения стерильных форм / С.А. Ветрова, М.И. Федорова // Доклады ТСХА, вып.282, ч.1 - Москва: РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева. - 2010. - С. 608-611.

2. Ветрова С.А. Использование инбридинга для получения стерильных форм свеклы столовой / С.А. Ветрова, М.И. Федорова // Гавриш, 2010, №5. - С. 36-38.

3. Ветрова С.А. Определение жизнеспособности пыльцы свеклы столовой / С.А. Ветрова, Е.Г. Козарь, М.И. Федорова // Сб. науч. тр. « Овощеводство», Минск, 2010. - С. 84-88.

Размещено на Allbest.ru