Гетерозис репчатого лука

Размещено на http://www.allbest.ru/

Научно-исследовательский институт овощеводства защищенного грунта

ООО "Селекционный центр "Гавриш"

Реферат

Тема: "Гетерозис репчатого лука".

Руководители работы: Гавриш С.Ф.

Капустин А.А., Логунов А.Н.

Исполнитель Тико Е.А.

Крымск

2014

Содержание

Введение

1. Понятие, типы, значение гетерозиса

2. История создания гетерозисных гибридов лука репчатого

3. Понятие и виды цитоплазматической мужской стерильности

4. Создание гетерозисных гибридов лука с использованием ЦМС растений

4.1 Выявление стерильных растений лука

4.2 Закрепление стерильности лука

4.3 Получение гибридов

5. Совершенствование создания гетерозисных гибридов

6. Селекция гетерозисных гибридов в зарубежных странах

Выводы

Список литературы



Введение

Лук репчатый -- одна из ведущих овощных культур в мире. Его выращивают на площади более 3,5 млн. га, объемы производства составляют более 72 млн.?т. Лидируют в производстве этой культуры Китай (валовой сбор в среднем 24 млн. т), Индия (15 млн. т), США (3,4 млн.т).

На территории Российской Федерации, по данным ФАО, в 2012 году с площади 95000 га было собрано более 2,1 млн.?т. лука. Основные зоны производства этой культуры находятся в трех округах: Приволжском, Южном и Центральном, где сосредоточено 83,5% посевных площадей и получают 80% от валового сбора лука [12].

По состоянию на 2013 год в Государственный реестр селекционных достижений включены 262 сорта и гибрида лука, причем гибридов из них 127, из которых 124 иностранных. Вместе с тем уровень урожайности еще недостаточно высок, необходимы сорта, соответствующие интенсивным технологиям, устойчивые к наиболее распространенным болезням. Решение таких задач в большей мере связано с созданием и внедрением в производство гетерозисных гибридов лука репчатого.

Гетерозис - крупнейшее достижение селекции растений, биологическое явление, использование которого при создании гетерозисных гибридов F1 позволило поднять урожайность сельскохозяйственных культур на новый уровень - повысить ее на 20-50% по сравнению с исходными сортами.

Гетерозис - это свойство гибридов первого поколения превосходить родителей или лучшую из родительских форм по определенным биологическим и хозяйственно ценным признакам и свойствам, по степени их выраженности.

Гетерозисные гибриды имеют неоспоримые преимущества перед обычными сортами также по товарности продукции, скороспелости, устойчивости к болезням и другим важным признакам.

Разработка приемов создания гетерозисных гибридов различных культур - одно из крупнейших достижений современной генетики. Переход на выращивание F1 гибридов вместо обычных сортов имеет приоритетное значение в современном сельскохозяйственном растениеводстве как в отношении повышения урожайности и качества выращиваемой продукции, так и экономической эффективности возделывания той или иной культуры. В развитых странах мира в сортименте овощных культур на долю F1 гибридов приходится более 90%, в России - менее 25% [7].



1. Понятие, типы, значение гетерозиса

При скрещивании некоторых сортов какой-либо культуры гибриды F1 часто отличаются от родительских форм более мощным ростом, лучшей жизнеспособностью, более высокой продуктивностью, устойчивостью к болезням и резким колебаниям погоды. Такое свойство гибридов первого поколения называют гетерозисом.

Гетерозис - это свойство гибридов первого поколения превосходить родителей или лучшую из родительских форм по определенным биологическим и хозяйственно ценным признакам и свойствам, по степени их выраженности.

Проявление гетерозиса зависит от вида генофонда популяции, физиологического состояния популяции на определенном этапе развития, от условий климата, сезона, солнечной инсоляции, питания, густоты посева или посадки, напряженности инфекционного фона или насекомых вредителей или других факторов и обстоятельств.

Истинный (положительный) гетерозис проявляется в изменении выраженности признака у гибрида в сторону увеличения по сравнению с родительскими формами (например, повышенное содержание витаминов, белков, биологически активных веществ, улучшение лежкости продукции и др.). Однако при скрещивании могут возникнуть депрессивные явления снижения потомством показателя по какому либо признаку лучшего родителя. Такое изменение выраженности признака в сторону ослабления происходит при отрицательном гетерозисе.

Гетерозис может охватывать разные признаки и свойства организма. А. Густафсон предложил различать три основные типа гетерозиса: соматический, репродуктивный и адаптивный. Гетерозис соматический - более мощное развитие вегетативных органов гибридов; репродуктивный - более мощное развитие репродуктивных органов, повышенная фертильность, высокий урожай семян, плодов; адаптивный гетерозис - повышение приспособленности гибридов к меняющимся условиям среды и их конкурентоспособность в борьбе за существование.

Гетерозисные гибриды первого поколения F1 проявляют повышенную жизнеспособность, мощность развития, особо сильную способность к росту, большую скороспелость, урожайность и выравненность, повышенную устойчивость к болезням, высокую товарность, улучшение качества плодов (повышенное содержание сухого вещества).

Гетерозис может проявляться в изменении физиологических признаков - усилении холодостойкости, засухоустойчивости, улучшении лежкости, общей устойчивости к патогенам.

Гетерозис проявляется в более быстром росте растений в начальных и последующих фазах, в ускоренном образовании новых листьев, в увеличении размера каждого листа и общей площади листовой поверхности, в мощности корневой системы и др. гетерозис проявляется также в таких признаках, как высота закладки соцветий, количество соцветий на главном стебле и боковых побегах, количество цветков в соцветии и т.д.

Гетерозис наблюдается при скрещиваниях между сортами, а также между отдаленными в генетическом и экологическом отношении видами и формами. Наиболее же сильно он проявляется и поддается управлению при скрещивании самоопыленных линий. Инцухт дает возможность разложить сорт-популяцию на составляющие его биотипы (линии).

Проявление гетерозиса наблюдается в течение всего жизненного цикла растения с момента до окончания формирования семени.

Тот или иной тип проявления гетерозиса и степень изменчивости выражения признака при этом в основном зависят от подбора скрещиваемых сортов. Обычно гетерозис бывает тем сильнее выражен, чем больше различаются скрещиваемые формы по морфологическим, биологическим, физиологическим и другим признакам. Особенно сильно проявляется гетерозис, если скрещиваемые сорта относятся к разным группам по скороспелости, способу выращивания, если районированы они в разных климатических зонах или культивируются в разное время года, при скрещивании инбредных линий перекрестноопыляющихся растений, полученных в результате самоопыления в течение нескольких поколений [3].

Одной из причин эффекта гетерозиса является устранение в гетерозиготном организме вредного действия рецессивных генов. Другой механизм гетерозиса состоит в объединении в гибриде благоприятных доминантных генов, присутствующих в организме родителей и объединяющихся у гибрида. Гетерозис может возникнуть и в силу того, что некоторые гены более благоприятно проявляются, находясь в организме в гетерозиготном состоянии.

ЗНАЧЕНИЕ СЕЛЕКЦИИ НА ГЕТЕРОЗИС

Селекцией на гетерозис называют создание гибридов первого поколения, отличающихся высоким гетерозисом по урожайности, качеству продукции и другим хозяйственно важным признакам. В отличие от комбинационной селекции, при которой скрещивания проводят в начале селекционного процесса, чтобы создать генетическую изменчивость для отбора, при селекции гетерозисных гибридов скрещивание служит для массового получения семян и их дальнейшего практического использования в производстве и представляет последний этап селекционного процесса. Селекция гетерозисных гибридов имеет большое значение для сельскохозяйственного производства. Эти гибриды часто по урожайности превышают обычные свободноопыляющиеся сорта на 30% и выше. В некоторых случаях гетерозисный эффект достигает 50%. [8]



2. История создания гетерозисных гибридов лука репчатого

В овощеводстве в 60-е годы все больше стали уделять внимание использованию для посева гетерозисных гибридных семян, в том числе семян репчатого лука. Для получения таких семян применяли дополнительное опыление внутри сорта, внутрисортовую и межсортовую гибридизацию. Добавочное опыление лука, проведенное в Калининской, Харьковской, Московской, Крымской, Луганской и других областях, способствовало значительному повышению урожая семян.

Значительный успех был получен рядом селекционеров при использовании свободного внутрисортового переопыления. Так М.Ф. Перегуд (1962) в условиях Крыма использовал для переопыления маточники, выращенные непосредственно из семян и из севка. Урожай товарного лука увеличивается на 27%. Аналогичные результаты были получены в Московской области, когда для переопыления использовались маточники выращенного здесь лука сорта Строгановский и маточники лука, завезенного с Северного Кавказа. Известный селекционер Казахстана П.М. Эренбург подтвердил это в своих работах с сортом Дунганского лука. Таковы первые работы, показавшие значение внутрисортового переопыления репчатого лука. Значительно больший гетерозисный эффект получили при свободном переопылении разных сортов. Для этой цели использовали сорта, резко отличающиеся по биологическим особенностям. М.Ф. Перегуд скрещивал сорт Чеботарский местный с полуострыми и сладкими сортами - Днестровский, Ялтинский местный, Испанский. Урожай гибридов повысился на 22-68%. На Кубани А.В. Кузнецов провел переопыление сортов Русский желтый и Джонсон 4. На Бирючекутской овощекартофельной опытной станции для получения гетерозисных гибридов использовались переопыление крупнолуковичных урожайных сортов Каба и Испанский 313, прибавка урожая по сравнению с родительскими сортами составила 14-17%. Испытание этой гибридной комбинации Л.Г. Астафьевой, показало, что в одних условиях - это гетерозисный гибрид, а в других может оказаться - негетерозисным. У большого количества гибридов, полученных на Майкопской опытной станции ВИР, при испытании их в других условиях снижался их гетерозисный эффект. Отсюда ясно, что гибриды также как и сорта надо создавать для определенных условий.

В УкрНИИОБе Ф.А. Ткаченко были получены гибридные семена путем естественного переопыления многих пар и групп сортов острого лука. Для создания межсортовых гибридов лука применяли также метод подбора родительских пар, имеющих сходные морфологические и хозяйственные признаки, но выращенные в разных условиях. Гибридные луковицы были высоких товарных качеств, так как отличались морфологической выравненностью, а гибридность достигала 60%.

В БелНИИКПО А.М. Полянской и Е.И. Чулковой в результате скрещивания 85 пар сортов лука были выделены 3 гетерозисные комбинации. Е.И. Чулкова отмечала, что изучение потомства первого и второго поколений от свободного переопыления в многосортной посадке позволило выявить исключительно высокую прибавку урожая лука (от 43 до 176%) в сравнении с использованием чистосортных семян.

К.Б. Орлова в своей работе по созданию гибридов лука в условиях Нижнего Поволжья применяла экологический принцип подбора пар, используя в качестве родителей сорта отдаленные по своему происхождению и местные, имеющие как сходные морфологические, хозяйственные признаки, так и резко отличающиеся. В результате получены следующие данные:

рост наземной массы растений, полученных от гибридных семян, проходил более интенсивно в сравнении с родительскими сортами;

гибридные растения в большинстве отличались большей облиственностью, чем исходные родительские формы, выделялись хорошим состоянием;

проявление гетерозиса складывается не при любых комбинациях по основных хозяйственным и биологическим признакам;

при свободном переопылении у лучших гибридов в первом поколении превышение урожая в сравнении с исходными родительскими сортами составила 20-30%. По лежкости луковиц гибриды занимали промежуточное положение и не превосходили самого лежкого родителя.

Наиболее ощутимые результаты получились при межсортовой гибридизации и все же эффект был невысоким, что объясняется в первую очередь тем, что при свободном переопылении в среднем получается более 50% гибридных семян (а по данным американских исследователей не более 30%), за счет которых появляется этот гетерозис, остальные 50% семян негибридные, - результат внутрисортового опыления каждого из сортов, используемых для гибридизации. Вследствие этого и потомство, полученное от таких семян, отличается неоднородностью по биологическим и хозяйственным признакам.

Наиболее эффективный путь получения гибридных семян был открыт после того, как в 1924 году американский исследователь Г.А. Джонс обнаружил на одном из сортов лука явление цитоплазматической мужской стерильности (ЦМС). В соцветии этого растения были цветки, в пыльниках которых отсутствовало пыльца и которое вследствие этого не могло дать семена.

Семена на таких растениях можно получить только при опылении фертильной пыльцой этого или другого сорта. Задача состояла в том, чтобы размножить эту стерильную форму и создать стерильную линию, чтобы опыляя ее пыльцой любого сорта можно было получать 100% гибридных семян. В 1943 г Г.А. Джонс и А.Е. Кларк разработали схему селекционного процесса использования стерильных форм репчатого лука для получения стерильных линий, а также схему получения гибридных семян на стерильной основе.

Открытие стерильных форм у репчатого тлука привлекло внимание селекционеров-исследователей ряда стран (Нидерланды, ФРГ, Польша, Чехословакия, Франция, Болгария и Япония).

У нас в стране изучение ЦМС у лука было начато в 1958-1959 г. Первые работы по созданию стерильных линий с использованием ЦМС как в США, так и в Европе были начаты в 1944-1950 гг. и связаны с сортом Итальянский красный - 13-53*, у которого Джонс впервые обнаружил стерильные цветки. Передача признака ЦМС от этого сорта другим сортам связана с рядом трудностей, а именно этот сорт отличается плохой лежкостью, и гибриды приобритали этот признак. Кроме того, процесс создания стерильных линий путем насыщающих скрещиваний требует 12-13 лет. Эти недостатки побудили искать селекционеров формы с ЦМС среди своих отечественных сортов. Оказалось, что найти такие формы сравнительно просто, значительно труднее сохранить ЦМС и создать стерильную линию. На Майкопской, Волгоградской, а также Среднеазиатской опытных станциях Всесоюзного института растениеводства им. Н.И. Вавилова разработана схема закрепления мужской стерильности у лука репчатого, в основу которой положена схема Джонса создание стерильных линий у отечественных сортов репчатого лука, распространенных в зоне деятельности этих станций. Работы по созданию стерильных линий начинаются с выявления стерильных форм и подбора опылителей, способных удержать стерильность в потомстве.

По этой схеме на стерильном растении (мать) изолируют все зонтики в отдельности и к каждому из них подбирают отца - закрепителя стерильности среди фертильных растений. Левая сторона схемы условно представляет селекционный процесс создания стерильной линии, правая - селекционный процесс выявления отца - закрепителя данной стерильной формы.

Завершается эта схема размножением этих форм для передачи их в производство с целью получения гибридных семян.

Если условно маточники стерильных линий обозначить буквой А, маточники закрепителя стерильности буквой Б, а маточники сорта, с которым хотят получить гетерозисный гибрид, - В, то весь селекционный процесс сохранения стерильной линии можно обозначить в виде следующей схемы:

F1( АБ5хБ6)хB6 Гетерозисный трехлинейный гибрид F1 (стерильный)

Где А - стерильная линия, Б- линия закрепитель стерильности и В - линия опылитель

Селекционная работа по созданию стерильных линий лука занимает 6-10 лет. По Г.А. Джонсу ЦМС обуславливается удачным сочетанием двух факторов, генетического и цитоплазматического. Сама по себе стерильная цитоплазма не дает стерильности, ее проявление возможно только при наличии определенных рецессивных генов (msms), находящихся в гомозиготном состоянии. Если же одна из аллелей будет доминантной (Ms), то независимо от наличия в растениях стерильной цитоплазмы, растение будет фертильным. Считается, что генотип растения с ЦМС возник как мутация. Схематически наследование (ЦМС) у репчатого лука Джонс и Кларк представили на схеме (рис. 1), где буквой S обозначена стерильная цитоплазма, а буквой N - нормальная.

Для получения большого количества семян у отца опылителя, а также при переопылении стерильных форм и линий опылителя использовали мух, которых по различным рецептам разводили для этой цели в США, Польше и других странах. На Майкопской опытной станции ВИР использовали пчел и, кроме того, разводили мясных мух, обеспечивающих весь процесс переопыления.

Установлено, что ЦМС подвергается географической изменчивости. Так, исследования ВИР подтвердили, что у одних и тех же сортов в разных условиях число стерильных растений будет различным (таб. 1).



Таблица 1 Изменения количества стерильных форм у сортов лук в зависимости от географических условий выращивания.

Сорт	Процент растений с ЦМС
	В Майкопе	В Волгограде	В Ленинграде	В Ташкенте
Каба	13,3	16,5	3,0	1,6
Золотой шар	5,8	19,5	2,2	-
Самаркандский красный	6,2	11,6	-	1,8

Из таблицы видно, что в условиях Средней Азии стерильность проявляется меньше, чем в условиях Майкопа и Волгограда, а стерильность в Волгограде была выше, чем в Майкопе.

Последнее время стало известно, что в одном и том же пункте в зависимости от условий степень стерильности может изменяться, так например, на поле и в теплице стерильность будет разной. При весеннем сроке высадки семенников в условиях Майкопа количество стерильных растений меньше, чем при осеннем сроке (таб. 2).

Таблица 2 Зависимость стерильности от условий высадки

Сорт	Процент растений с ЦМС при высадке семенников
	В октябре 1965г.	В октябре 1966 г.	В марте 1965 г.	В марте 1966 г.
Золотой шар	28	21	10	16
Каба	22	20	12,5	13,5
Восточный	17,7	21,1	13,3	15,7

Растения осеннего срока посадки маточников в среднем имели 21,5% стерильных линий, а весеннего - только 11,7%. Следовательно, совершенно ясно, что нельзя создать стерильную линию, которая могла бы использоваться во всех зонах страны.

На опытных станциях Всесоюзного института растениеводства проводилось изучение гибридов, полученных на стерильной основе, и гибридов, полученных путем свободного переопыления тех же самых сортов: результаты сравнивали с родительскими сортами (таб. 3).

Таблица 3 Гетерозисный эффект у гибридов, полученных при разных способах гибридизации сортов репчатого лука в условиях Майкопской опытной станции.

Гибридные комбинации и родители	Гибрид на стерильной основе	Гибрид при свободном опылении
	Урожайность (%к лучшему родителю)	Период вегетации (дней)	Урожайность (%к лучшему родителю)	Период вегетации (дней)
Валенсия 161 х Джонсон 4	132	140	117	140
Валенсия 161	100	140	100	140
Джонсон 4	95	135	95	135
Стригуновский носовский х Бессоновский местный	126	115	100	122
Стригуновский носовский	100	130	100	130
Бессоновский местный	87	125	87	125

Первая комбинация (Валенсия 161 х Джонсон 4) по урожайности превосходила наиболее продуктивного родителя на 32%, тогда как при свободном переопылении этих сортов этот процент был равен 17. Аналогичная зависимость получалась и у другой гибридной комбинации, но в данном случае гетерозис проявился сильнее по скороспелости. Гибрид, полученный на стерильной основе, был на 10 дней скороспелее, чем самый скороспелый из родителей, а при свободном опылении - только на 3 дня.

Интересная гетерозисная комбинация была получена на этой же станции при опылении стерильной линии сорта Восточный фертильным сортом Вишенский местный (Восточный S х Вишенский местный), когда гибрид созревал на 20-25 дней быстрее, чем сорт Вишенский местный, который под влиянием более короткого дня в условиях Северного Кавказа увеличивал продолжительность периода роста. Кроме того этот гибрид при хранении оказался более лежким, чем сорт Вишенский местный и даже Восточный. гетерозисный цитоплазматический мужской стерильность

С другими сортами, но в том же направлении, проводились исследования на Волгоградской опытной станции ВИР, где каждый год проверялись несколько гибридных комбинаций, полученных на стерильной основе; наиболее перспективными являются Каба - S1 х Днестровски и Джонсон 4 - S х Каба; урожайность 1-го гибрида выше наиболее продуктивного гибрида на 37,5%, а 2-го - на 24,4% (S - стерильная линия).

Открытие явления ЦМС у луков позволяет повышать хозяйственно ценные качества культуры за счет использования гетерозиса. При наличии стерильных линий задача селекционера состоит в том, чтобы создать высоко гетерозисные гибриды по ряду таких важных признаков, как повышение урожайности, лежкость, скороспелость, устойчивость к болезням и вредителям, улучшение химического состава, выравненная форма луковицы и др., но работа селекционера в этом направлении пока находится в прямой зависимости от выведения линий с закрепленной ЦМС, а также от количества созданных и изученных им гибридов [2], [6].



3. Понятие и виды цитоплазматической мужской стерильности

Мужская стерильность - отсутствие образования пыльцы у растений может быть следствием ядерных мутаций или быть связано с цитоплазматическими факторами наследственности. Мужскую стерильность у лука впервые обнаружил американский генетик Д. Джонс в 1924 г. Для получения гибридных семян цитоплазматическая мужская стерильность (ЦМС) является предпочтительной по сравнению с генетической ядерной мужской стерильностью, потому что характеристики ЦМС не подвергаются расщеплению. Например, генетическая ядерная мужская стерильность обычно кодируются одним рецессивным геном, поэтому для экспрессии мужского стерильного фенотипа требуется гомозиготность. Для распространения растений с генетической ядерной мужской стерильностью гомозиготные рецессивные стерильные мужские растения должны быть скрещены с изогенной мужской фертильной линией, гетерозиготной по гену мужской стерильности. Такие скрещивания приводят к образованию определенного процента мужских фертильных растений (50% в системе с одним геном), которые должны быть удалены с поля сразу же, как только может быть идентифицирована их фертильность, чтобы поддержать эффективность желаемой популяции с мужской стерильностью. Удаление с поля мужских фертильных растений представляет собой тяжелый и дорогостоящий труд. Таким образом, расщепление ядерных генов сильно ограничивает пригодность генетической ядерной мужской стерильности для получения гибридных семян.

Цитоплазматическая мужская стерильность экспрессируется во всем потомстве гибридного скрещивания между родителями ЦМС-инбредной линии и линии с мужской фертильностью. По этой причине для получения гибридных семян предпочтителен способ, основанный на использовании ЦМС- характеристик.



4. Создание гетерозисных гибридов лука с использованием ЦМС растений

Широкое распространение гибридов F1 в товарном производстве лука репчатого в Японии, Нидерландах и других странах, а также исследования, проведенные в России, показывают большое преимущество гибридов в продуктивности, выравненности гибридов по вызреванию, размеру, форме и качеству луковицы по сравнению с сортами. По данным разных исследователей, повышение продуктивности гибридов составляло 39-52%. Так как получение гибридных семян при искусственном опылении затруднено из-за кастрации цветков и в производственных масштабах невозможно, наиболее целесообразным является создание гибридов на основе мужской стерильности. В селекционной практике наиболее распространенным способом получения таких гибридов является использование в качестве материнских форм линий, обладающих цитоплазматической мужской стерильностью (ЦМС).

В России наиболее успешно проводят исследования в этом плане ВНИИР, ВНИИССОК, в Приднестровском НИИСХ республики Молдова, где созданы стерильные линии сортов Восточный 61, Стригуновскиц, Каба и др. и на их основе созданы перспективные гетерозисные гибриды.

Растения с ЦМС можно найти практически в любом сорте лука, при этом количество их может колебаться от 0,1% до 30%. У семенных растений лука встречаются 2 типа мужской стерильности. У первого тип раскрытый цветок по внешнему виду почти не отличается от цветка с фертильной пыльцой, за исключением того, что столбик у него растет несколько быстрее тычинок. Тычиночные нити короткие, пыльники светло-зеленые, слабо выполненные, усыхают не вскрываясь.

У растений второго типа цветок практически остается в бутоне, а столбик быстро выходит наружу из нераскрытого цветка. Пыльники не имеют жизнеспособной пыльцы, зонтики отличаются по яркости окраски от зонтиков растений с фертильной пыльцой. Обнаружить растения с мужской стерильностью довольно легко, но гораздо труднее сохранить и закрепить признак ЦМС в потомстве этих растений, т.е. создать стерильные линии - исходный материал для создания гибридов F1.

Поэтому работа по созданию гетерозисных гибридов F1 состоит из следующих этапов:

1) выявление растений с ЦМС;

2) закрепление признака ЦМС;

3) получение гетерозисных гибридов.

Установлено, что пыльцевая стерильность лука обусловлена взаимодействием цитоплазматического фактора S с рецессивным геном mS в гомозиготном состоянии msms. В присутствии нормальной цитоплазмы N или доминантного гена MS пыльца развивается нормально, и растение будет фертильно. Растение со стерильной пыльцой может дать потомство только в случае опыления пыльцой фертильного растения. В сортовой селекции лука растения с фертильной пыльцой могут быть представлены такими сочетаниями цитоплазмы и генов, как NMSMS, Nmsms, SMSMS, SMSms, Smsms. При опылении ими растения с генотипом Smsms наследование стерильности будет различным. Закрепляется ЦМС только в том случае, если растение с генотипом Ssmsm опыляется пыльцой с растения с генотипом Nmsms. Потомство от такого растения должно быть на 100% со стерильной пыльцой. При других сочетаниях цитоплазмы фертильность пыльцы в потомстве восстанавливается полностью или частично.

Процесс закрепления мужской стерильности в настоящей разработке довольно сложен и продолжителен. Во ВНИИР разработана единая схема селекционного процесса получения стерильных линий в течение 5 генераций (для двулетней культуры):

1-й год - выявляются стерильные растения с большим количеством цветочных стрелок, каждая из которых опыляется под изолятором фертильным соцветием отдельного отцовского растения-опылителя.

2-й год - высевают по семьям семена с каждой стрелки стерильного растения и с каждой самоопыленной стрелки фертильного растения.

3-й год - высаживают стерильные и фертильные семенники по семьям отдельно. Проверяют материнские растения на стерильность. Оставляют семьи со 100%-ной стерильностью и опыляют растения соответствующими отцами-опылителями. Растения отцов-опылителей самоопыляются.

4-й год высевают семена раздельно по стерильным линиям и отцам-опылителям.

5-й год все семенники высаживаются вместе, семена с отцовских и материнских растений собирают отдельно.

В практической работе линию со 100%-ной стерильностью растений поддерживать трудно из-за модифицирующего действия других генов, которое обуславливает появление некоторого числа фертильных растений, но их количество недолжно превышать 5%.

Для получения гетерозисных гибридов F1 необходим подбор лучших сортов-опылителей. В качестве отцовских компонентов используют доноры наиболее ценных хозяйственных признаков: устойчивости к болезням, скороспелости, лежкости, округлой формы. Оценку комбинационной способности линий ведут методом топкросса и она возможна на ранних этапах, так как для этого не нужно иметь много маточников. Для ускорения работ по подбору отцов-опылителей их оценивают на комбинационную способность с использованием инцухт-линий. Наиболее эффективен при этом метод поликросса. Выделявшиеся в обоих случаях наиболее ценные линии и сорта по общей комбинационной способности оцениваются в дальнейшем на специфическую комбинационную способность методом диаллельных скрещиваний [4].



4.1 Выявление стерильных растений лука

Чтобы обнаружить растения с пыльцевой стерильностью, прежде всего, необходимо различать стерильные и фертильные цветки и соцветия. Обследуют семенники лука в сухую солнечную погоду после высыхания росы. Пыльники нормальных фертильных растений оставляют на руке пыльцу, а стерильные -- нет. Кроме того, пыльники фертильных цветков ярко окрашены и хорошо выполнены. При их растрескивании появляется много пыльцы. Пыльники стерильных растений окрашены неярко, в светло-зеленый цвет и недостаточно выполнены. Они не растрескиваются и засыхают после, а иногда еще до раскрытия бутона. Обнаруженные стерильные растения желательно дополнительно проверить микроскопическим методом. Для этого содержимое пыльников 3--4 цветков каждого растения наносят на предметное стекло в каплю ацетокармина и закрывают покровным стеклом. Через несколько минут фертильные пыльцевые зерна окрашиваются ацетокармином, а нежизнеспособные стерильные остаются неокрашенными. К тому же стерильные пыльцевые зерна плохо выполнены, щуплые. При отсутствии ацетокармина для окраски фертильной пыльцы можно использовать спиртовой раствор KJ, а также тетразол. Микроскопический анализ должен подтвердить пыльцевую стерильность растений, отобранных по внешним признакам. Растения с мужской стерильностью легко обнаружить среди растений почти каждого сорта. Для опыления желательно использовать стерильные и фертильные растения, находящиеся в фазе начала цветения. Перед изоляцией необходимо удалить раскрывшиеся к этому времени цветки. Степень проявления мужской стерильности зависит от сорта и от условий выращивания у одних и тех же сортов. Например, у сорта Испанский 313 в разные годы растений с мужской стерильностью было 0,8-2,3% [10].



4.2 Закрепление стерильности лука

Обнаружить растения с мужской стерильностью большого труда не представляет. Но сохранить и закрепить признак ЦМС в потомстве, т. е. создать стерильную линию, довольно трудно. Джонс установил, что пыльцевая стерильность у лука обусловлена взаимодействием цитоплазматического фактора S с рецессивным геном ms в гомозиготном состоянии. В присутствии нормальной цитоплазмы N или доминантного гена Ms пыльца развивается нормально, растение будет фертильным. Растение со стерильной пыльцой не может иметь потомство. Для этого оно должно быть опылено фертильной пыльцой. В сортовой популяции растения с такой пыльцой могут быть представлены такими сочетаниями цитоплазмы и генов: N Ms Ms, N Ms ms, N ms ms, S Ms ms, S Ms Ms. При опылении ими растения с генотипом 5 ms ms наследование стерильности будет различным. ЦМС может быть закреплена в потомстве только при опылении стерильного растения с генотипом S ms ms пыльцой растений с генотипом N ms ms. Потомство при таком опылении должно иметь 100%-ную стерильную пыльцу. Мужски стерильные растения можно определить в начале цветения, когда раскрываются единичные цветки. Каждое соцветие такого растения изолируют и затем опыляют пыльцой фертильного. Для опыления с фертильных растений срезают стрелки, изолируют их и ставят в сосуд с водой рядом со стерильным растением. Для получения семян от самоопыления часть соцветий фертильного растения оставляют и изолируют. Семена, полученные от каждого опыленного соцветия стерильного растения и от самоопыления соответствующего фертильного, собирают отдельно и высевают по семьям. Во 2-м семенном году (или 3-м календарном на юге, где лук выращивают в однолетней культуре) проводят анализ семей на закрепление стерильности. Семью со 100% стерильных растений опыляют пыльцой соответствующей семьи фертильного растения, которая является закрепителем стерильности. В 3-м семенном году (5-й календарный) потомство стерильного растения и его закрепителя размножают на изолированном участке или в. специально построенных изоляционных домиках и кабинах. При самоопылении предполагаемых закрепителей стерильности часто получают очень мало семян, вследствие чего размножение в достаточном количестве может затянуться. Растения с генотипом N ms ms могут служить закрепителем стерильности не только для растений с генотипом S ms ms этого же сорта, но и для других сортов. Чтобы расширить возможность привлечения большего количества отцовских форм, можно использовать также стерильные растения с максимальным числом стрелок. В практической работе линию со 100% стерильных растений удается получить не всегда. Какая-то часть (1,3%) из них образует нормальную пыльцу. Причину выщепления фертильных растений исследователи объясняют действием внешних условий и влиянием модифицирующего действия других генов. Нашими опытами установлено, что количество появляющихся фертильных растений меняется у одних и тех же линий по годам, а также различно у линий разных сортов. При поддержании линии необходимо постоянно с первых цветков и до полного цветения через 1--2 дня следить за появлением этих растений и удалять их, в том числе и недогоны, дающие иногда фертильную пыльцу. На делянке поддержания стерильной линии периодически изолируют несколько стерильных растений и опыляют их растениями-закрепителями. Потомство по семьям (так же как на первых этапах создания стерильных линий) проверяется на стерильность, лучшие из них идут на размножение. Растения стерильной семьи и семьи отца-закрепителя высаживают под один изолятор. Опыление проводят с помощью пчел или искусственно выведенных мух, а также вручную с помощью кисточек. Для каждого изолятора должна быть своя кисточка, которую оттуда не выносят. Большие семьи размещают на изоучастках для свободного переопыления. Семена по семьям собирают раздельно. В средней полосе при сохранении отца-опылителя следует переопылять отцовские линии одного сорта для преодоления депрессии от инцухта. Получение гетерозисных гибридов. Подбор сортов-опылителей для получения гетерозисных гибридов можно начинать уже со 2-го семенного года, опыляя часть стерильных растений. Оценку комбинационной способности линий удобно вести методом топкросса. Она возможна на ранних этапах, так как в этом случае не нужно много маточников. На изолированном участке высаживают по 5--10 луковиц стерильных линий и один сорт-опылитель в качестве тестера. Методика оценки на комбинационную способность достаточно разработана для кукурузы, и ее можно применять и для лука. При создании гетерозисных гибридов отцов-опылителей нужно также оценивать на комбинационную способность для ускорения работ по их подбору. В данном случае наиболее эффективен метод поликросса. Выделившиеся в обоих случаях наиболее ценные линии и сорта по общей комбинационной способности оценивают в дальнейшем на специфическую комбинационную способность методом диаллельных скрещиваний.

Общая комбинационная способность показывает среднюю ценность линий в гибридных комбинациях. Ее определяют, по результатам скрещивания линий с сортом, служащим в качестве отцовского родителя, называемого в этом случае тестером.

Специфическую комбинационную способность оценивают по результатам скрещивания линий с какой-либо одной линией или простым гибридом. При этом выявляются случаи, когда некоторые комбинации оказываются лучше или хуже, чем можно было бы ожидать на основании среднего качества изучаемых линий, устанавливаемого путем оценки общей комбинационной способности.

Для определения специфической комбинационной способности самоопыленных линий применяют диаллельные скрещивания, при которых каждую линию скрещивают со всеми остальными для получения и оценки всех возможных комбинаций.

Важнейшее отличие гетерозисных гибридов от обычных гибридных сортов состоит в том, что их используют в производстве лишь в первом поколении и поэтому получают ежегодно [11].

4.3 Получение гибридов

После получения инбредных линий, их оценки на общую и специфическую комбинационную способность можно приступать к третьему этапу -- получению гибридов как основного результата селекции на использование гетерозиса.

У растений, где использование гетерозиса поставлено на технологическую основу, различают следующие типы гибридов:

Простой гибрид получают от скрещивания двух линий:

Линия А х Линия В = Простой гибрид (АхВ)

Тройной гибрид получают от скрещивания простого гибрида (АхВ) с линией С:

Простой гибрид (АхВ) х Линия С= Тройной гибрид (АхВ) х С

Двойные гибриды получают от скрещивания двух простых гибридов (АхВ) х (СхD)

Простой гибрид (АхВ) х Простой гибрид (CхD) = Двойной гибрид (АхВ) х (CхD).

Названия простой, тройной, двойной являются условными, взятыми из практики семеноводства, и отражают лишь число входящих компонент при скрещивании на этапе получения гибридных семян, которые идут на производственные посевы.

Тройные и двойные гибриды получают в два этапа:

1) получение простого гибрида;

2) использование простого гибрида в качестве материнской формы для тройного или двойного, в качестве отцовских форм которых выступает линия и простой гибрид соответственно.

В практике используют лишь гибридные семена первого поколения от скрещивания двух линий, простого гибрида и линии или двух простых гибридов. Второе и последующие поколения в производственных посевах не используются, так как гибриды расщепляются на исходные формы и эффект гетерозиса исчезает. В связи с этим при использовании гетерозиса у растений организовано семеноводство в специальных хозяйствах, где получают только семена первого поколения и продают их хозяйствам. Так как урожайность гетерозисных гибридов значительно (на 20 -- 30%) выше урожайности сортов, то затраты на семеноводство гибридных семян окупаются.



5. Совершенствование создания гетерозисных гибридов

При создании гетерозисных гибридов наиболее остро возникает проблема быстрого достижения константности посевного материала, т.е. создание гомозиготных линий с высокой комбинационной способностью. Эффективными методами получения гомозиготных линий без инбредных депрессий и с хорошей комбинационной способностью может служить культура пыльников и культура неопыленных завязей и семяпочек.

Как культуру пыльников in vitro, так и культуру неопыленных семяпочек in vitro можно использовать для получения фертильных удвоенных гаплоидов. Для получения стерильных удвоенных гаплоидов можно использовать только культуру неопыленных семяпочек in vitro.

Гаплоиды чаще возникают из неоплодотворенной яйцеклетки, из других клеток гаметофита или из мужских гамет. Гаплоидные растения часто стерильны и ослаблены, но путем искусственного или естественного удвоения у них числа хромосом можно за короткий срок получить полноценные гомозиготные растения. Это направление исследований наиболее перспективно для селекции на гетерозис у перекрестноопыляющихся культур.

Таким образом, путем искусственного удвоения числа хромосом у гаплоидов можно сразу получить гомозиготные линии, на создание которых при селекции на гетерозис приходится затрачивать 5-7 лет. На основе андрогенной гаплоидии можно за одно поколение осуществить перевод отцовского ядра в цитоплазму материнской формы.

По теоретическим оценкам, использование гаплоидии позволит сократить селекционный процесс в 1,5-2 раза.

Частота проявления гаплоидов в природе очень низка. Поэтому получают их путем помещения зрелых пыльников или пыльцы на искусственно питательную среду, содержащую стимуляторы роста. Культуру пыльников хранят в стерильных условиях при определенном режиме температуры и освещения. Через несколько недель пыльники вскрываются и из них появляются эмбрионоподобные образования - эмбриоды с гаплоидным числом хромосом.

Исследования, проведенные во ВНИИССОК по культуре неопыленных семяпочек лука in vitro показали, что проростки могут быть получены как на среде с гормонами, так и без них наиболее определяющим фактором исхода эксперимента является стадия развития семяпочки, для культивирования неопыленных семяпочек лука оптимальными являются бутоны длиной 5 см. наиболее значимым фактором в культуре неопыленных семяпочек является генотип растения.



6. Селекция гетерозисных гибридов в зарубежных странах

Создание мужских стерильных линий, отбор линий -- закрепителей стерильности и форм, восстанавливающих фертильность, значительно усложнили ведение селекции я семеноводства. Между тем основным недостатком использования системы "ЦМС -- восстановление фертильности" при получении новых гибридных комбинаций скрещиваний является постоянная необходимость создания стерильных аналогов и аналогов -- восстановителей фертильности новых высокопродуктивных сортов и самоопыленных линий.

В ряде стран Европы и в США, проводя исследования по выявлению химических соединений, обладающих гаметоцидной активностью к мужскому гаметофиту растений, и разрабатывают способы их применения для массового производства гибридных семян различных сельскохозяйственных культур. Использование методов химической индукции мужской стерильности позволит получить семена гибридов первого поколения, вовлекая в селекционный процесс наиболее совершенные сорта без создания их стерильных аналогов и линий, несущих гены восстановления фертильности.

Гаметоциды -- химические соединения, применение которых в определенные этапы развития растений приводит к гибели мужского гаметофита в результате нарушений метаболических процессов в период формирования пыльцевых зерен (гамета -- по-гречески половая клетка, цидо -- по-латински убивать).

Действие гаметоцидов на физиолого-биохимические процессы в клетке аналогично стерилизующей цитоплазме при перемещении в нее ядра, что вызывает мужскую стерильность.

Химические препараты как источники гаметоцидной активности были выделены из биологически активных веществ различного физиологического действия (ростактивирующие вещества, ретарданты, гербициды, растительные гормоны и гормоноподобные вещества). Среди хорошо известных физиологически активных соединений гаметоцидная активность была обнаружена у веществ, обладающих ретардантными свойствами: этрела (этефон) -- 2-хлорэтилфосфоновая кислота, далапона -- 2,2-дихлорпропионовая кислота, ГМК.

Некоторые соединения, кроме фирменных названий, получили определенные шифры как вещества, проявившие гаметоцидные свойства: мендок, или FW-450 (2,3-дихлоризомасля-ная кислота), FW-676 (кальциевая соль 2,3-дихлоризомасляной кислоты), G-315 (магниевая соль 2,3-дихлоризомасляной кислоты), u'niroyal D-513 (пропаргил 2-октосульфит), OCDP [N (р-алорфенил) - 2,4-диметил-6-оксо-3,6-дигидроникоти'новая кислота], RH-531 [натриевая соль 1-(р-хлорфенил)-1,2-дигид-ро-4,6-ди'метил-2-оксоникотино'вая кислота].

Использование гаметоцидов позволяет организовать промышленное производство гибридных семян сельскохозяйственных культур. Однако полученные гаметоциды вызывают ряд побочных нежелательных явлений: значительное ингибирование роста, задержку в прохождении фенологических фаз [9].

В институте овощеводства НАН Беларуси проведены исследования по селекции лука репчатого на гетерозис с использованием цитоплазматической мужской стерильности (ЦМС) и микроклонального размножения в культуре in vitro.

Использование в качестве материнской формы линий с ЦМС позволяет поднять гибридность семян до 95-100%, т.е. полнее использовать явление гетерозиса для создания гибридов с заданными хозяйственно биологическими параметрами. Созданные на стерильной основе гибриды отличаются однородностью семян.

Проведена работа по микроклональному размножению ЦМС-линий лука репчатого в культуре in vitro по методике, разработанной в институте.

Вегетативное размножение in vitro имеет ряд преимуществ перед традиционным (семенным). Этим способом можно размножать материал значительно быстрее, чем семенным путем, поскольку регенеранты возникают в большом количестве, период их развития короче и при этом сохраняется их однородность. Такое размножение можно проводить в любое время года.

Появилась возможность использования стабилизированных ЦМС-линий из районированного в стране сорта белорусской селекции Ветразь, изучен большой сортимент и созданы инцухт-линии из наиболее ценных сортов для выведения в ближайшем будущем новых гибридных сортов лука, предназначенных для различных способов выращивания и направлений использования [1].



Выводы

1) Создание гетерозисных гибридов является одним из наиболее эффективных методов селекции. Урожайность, гибридная мощность, высокая выравненность, возможность объединения в одном генотипе максимального числа ценных признаков, иногда трудно совместимых при использовании линейного и популяционного методов отбора, является важнейшим преимуществом гетерозисной селекции.

2) Особенно большую выровненность луковиц и наиболее высокий урожай товарного лука по сравнению с родительскими сортами получают при скрещивании сортов лука, сходных по своим морфологическим признакам (степени ветвления, форме луковиц), но резко отличающихся по географическому происхождению.

3) Наилучшие результаты дает гетерозис при скрещивании определенных линий, поэтому необходимо предварительно проверять их на комбинационную способность, т. е. на способность образовывать продуктивные гибриды.

4) Основной путь использования гетерозиса - скрещивание специально подобранных пар сортов или самоопыленных линий (инцухт-линий).

5) Открытие явления ЦМС у луков позволяет повышать хозяйственно ценные качества культуры за счет использования гетерозиса. При наличии стерильных линий задача селекционера состоит в том, чтобы создать высокогетерозисные гибриды по ряду таких важных признаков, как повышение урожайности, лежкость, скороспелость, устойчивость к болезням и вредителям, улучшение химического состава, выравненная форма луковицы и др., но работа селекционера в этом направлении пока находится в прямой зависимости от выведения линий с закрепленной ЦМС, а также от количества созданных и изученных им гибридов.

6) Пока еще нет показателей, по которым можно было бы совершенно определенно сказать, что данные пары сортов при гибридизации дадут гетерозисный гибрид, и поэтому у селекционеров много уходит времени для выявления таких перспективных комбинаций.

7) Эффективным методом ускорения получения гомозиготных линий могут служить культура пыльников и культура неопыленных завязей и семяпочек.

8) Также можно использовать метод химической индукции мужской стерильности, для получения семян гибридов первого поколения, вовлекая в селекционный процесс наиболее совершенные сорта без создания их стерильных аналогов и линий, несущих гены восстановления фертильности, но метод вызывает ряд побочных нежелательных явлений.

9) Исключительно большое значение имеют работы, связанные с возможностью прогнозирования гетерозиса на ранних этапах развития гибридов. Этот вопрос сложный и его должны решить не только селекционеры, но и биохимики, физиологи, цитологи.

10) Серьезным тормозом в решении селекционных задач является дефицит генетических исследований по луковым культурам: нет генетической карты Allium, не идентифицированы гены, контролирующие тот или иной селекционный признак, не изучен характер изменчивости наследования таких признаков. Поэтому необходимо интенсифицировать работы методического и теоретического характера в селекции лука репчатого.



Список литературы

1. Анципович В.В, Куприенко Н.П "Эффективное овощеводство в современных условиях", Минск, 2005г./ Картофель и овощи №8, 2006г.

2. Казакова А.А "Лук". Л.: Колос, 1970г, 78с.

3. Литвинов С.С. Методика полевого опыта в овощеводстве. - М. Россельхозакадемия, 2011г, 648с.

4. Пивоваров В.Ф. Селекция и семеноводство овощных культур. - М.: ВНИИССОК, 2007г. - 816с.

5. Прохоров И.А, Крючков А.В, Комиссаров В.А. - М.: Колос, 1997г - 480с.

6. Трулевич В.К. "Лук и чеснок".Л.: Колос 1969 г.

7. (http://window.edu.ru/library/pdf2txt/466/64466/35294/page2)

8. (http://baseprof.ru/docs/selekcija_semenovodstvo_sel_skohozjajstvennyh/buharova_al_mira_rahmetovna_86900)

9. http://www.findpatent.ru/patent/213/2139347.html

10. http://www.activestudy.info/vyyavlenie-sterilnyx-rastenij-luka/

11. http://www.activestudy.info/zakreplenie-sterilnosti-luka/

12. http://www.agropraktik.ru/blog/465.html

Размещено на Allbest.ru