Селекционно-генетические особенности внутривидовых и межвидовых гибридов и создание сортов озимой пшеницы 06. 01. 05 Селекция и семеноводство

биологических наук

Республика Казахстан

Алмалыбак, 2010

Работа выполнена в ТОО « Казахский научно – исследовательский институт земледелия и растениеводства» АО « Каз Агро Инновация»

Научный консультант: доктор биологических наук, профессор,

академик НАН РК, РАСХН, УААН

Уразалиев Р.А.

Официальные оппоненты:
доктор биологических наук, профессор

Сулейменова С. Е.

доктор биологических наук, профессор

Сеилова Л. Б.

доктор сельскохозяйственных наук, профессор,

Кожахметов М.К.

Ведущая организация: Институт биологии и биотехнологии

растений (ИББР)

Защита состоится 29 октября 2010 года в 14:00 часов на заседании диссертационного совета ОД 55.05. 01. при Казахском НИИ земледелия и растениеводства

по адресу: 040909, Алматинская область, Карасайский район, п. Алмалыбак, ул. Ерлепесова 1. Тел./ Факс: 8 ( 727) 388-39-25.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казахского НИИ

земледелия и растениеводства.

Автореферат разослан « » -------------------------- 2010 г.

диссертационного совета,

доктор сельскохозяйственных наук Н.А Альдеков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В этой связи актуальными проблемами селекции являются: углубленное изучение закономерностей наследования хозяйственно- биологических признаков и свойств; характер формообразовательного процесса межвидовых и внутривидовых гибридных популяций, создание исходного материала (различных источников и доноров), отбор желательных рекомбинатных линий и сортов, обладающих комплексом хозяйствено ценных признаков и свойств.

Исследования по диссертационной работе проведены в соответствии с общегосударственными отраслевыми программами и планами научно- исследледовательских работ по этапами: 03 01Н4:717Б (1986-1991 гг.), «Разработать новые и усовершенствовать существующие схемы, методы селекции, устойчивые к болезням, вредителям, неблагоприятным факторам среды и с высоким качеством продукции сорта и гибрида пшеницы, с разработкой эколого-генетической основы промышленного семеноводства»; №0194РК00028 (1991-1995гг., «Создать новые с использованием методов генетики, биотехнологии и других биологических дисциплин, устойчивые к стрессовым факторам среды, высокопродуктивные сорта и гибриды зерновых и других культур»; 196РК00292 (1996-2000 гг.), «Создание, сохранении использование генофонда зерновых и других культур»;0101РК00229(2001-2005 гг.), Селекция высокопродуктивных с урожайностью 7-9 т/га, устойчивых к полеганию, болезням и вредителям, с качеством ценной сортов озимой пшеницы для условий орошения и обеспеченной осадками богарных земель юго- востока и Востока Казахстана.

Цель исследований Разработать генетические основы селекции и создать комплексно ценные линии и сорта озимой мягкой пшеницы.

Задачи исследований: Установить генетические особенности межвидовой равно – и разнохромосомной пшеницы (скрещиваемость, жизнеспособность и фертильность гибридов);

- Определить характер наследования признаков видов и разновидностей;

-Установить формообразовательный процессы межвидовых равно хромосомных видов пшеницы. Выяснить систематику и филогению тетраплоидной пшеницы;

- Создать селекционно-ценный исходный материал (гибриды и линии) по комплексу ценных признаков методом внутривидовой и межвидовой гибридизации;

-Установить характер наследования нерасоспецифической устойчивости к ржавчине и твердой головне в F₁, F₂ и выделить эффективные доноры к болезням;

-Создать и передать на Государственное сортоиспытание высокопродуктивные, устойчивые к полеганию, к видам ржавчины, септориозу и твердой головне сорта с качеством ценной и особо ценной пшеницы.

-Установлен факт новообразования видов и разновидностей пшеницы, не участвовавших в скрещиваниях;

-Установлена закономерность формообразования при скрещивании равнохромосомных пшениц;

-Впервые выявлено, что фактор “k” на тетраплоидном уровне присутствует не только у T.persicum Vav., но и у других видов этой группы T.aethiopicum Jakubz.;

-Впервые в условиях предгорной зоны Казахстана экспериментально доказана возможность происхождения культурных тетраплоидных видов пшениц от общего предка T.dicoccum Schrank ex Schubl. и T.dicoccides Korn;

- Генетическим анализом установлено, что ген устойчивости к болезням у новых сортов (Алмалы, Наз, Аtау и Sultan 95) контролируется комплементарным взаимодействием двух и трех доминантных генов.

-Разработан способ инокуляции семян к твердой головне, повышающий эффективность селекции на иммунитет.

-Изучено наследование устойчивости к возбудителям твердой головни и выделены доноры устойчивости к твердой головне.

-Впервые созданы высокопродуктивные низкостебельные сорта озимой мягкой пшеницы (Алмалы, Алия, Арап) с генами карликовых источников (rht₁, rht₂, rht₃),обладающие высокой потенциальной урожайностью( 7-8 т/га).

- Допущены к использованию и включены в Государственный реестр РК 7 сортов озимой мягкой пшеницы и 1 сорт тритикале (Таза), а также 3 сорт включен в Государственный реестр Кыргызской Республики. Переданы на государственное сортоиспытание по республике Казахстан 6 сортов озимой пшеницы и три сорта в Кыргызии ( с долей авторства от 10 до 30%).

-В результате межвидовых скрещиваний экспериментально подтверждены пути эволюции и происхождения культурных тетраплоидных видов от общего предка - T. dicoccum (Schubl) Schrank и T.dicoccoides Koern;

-Методами внутривидовой и межвидовой гибридизации с привлечением образцов мировой коллекции создан ценный исходный материал для селекции озимой пшеницы;

-Применение разработанных новых методов инокуляции семян, усовершенствование методов оценки и отбора позволяет эффективно вести селекцию на устойчивость к болезням на начальных этапах селекционного процесса;

-Разработаны основные направления селекции пшеницы на иммунитет к болезням. Рекомендовано вести селекцию на иммунитет путем использования, концепции нерасоспецифической устойчивости, что позволило на этой основе создать сорта, ценные источники, и доноры устойчивости к листостебельным и головневым болезням озимой пшеницы;

- В период селекционной работы (с 1991 по 2008 гг.) создано более 5900 гибридных популяций, отобрано из F₂ -F₈ более 300000 линий, конкурсное сортоиспытание прошли более 1100 линий, из них 15 линий переданы в государственную комиссию по сортоиспытанию, 7 районированы. Таким образам, лишь тысячная доля (0,003%) дает линии, допускаемые в качестве сортов в производство.

-Формообразовательный процесс межвидовых гибридов в решении проблемы систематики и филогении тетраплоидных видов пшениц.

-Селекционно ценные линии по хозяйственно-биологическим признакам, полученные на основе внутривидовой и межвидовой гибридизации.

-Новые сорта озимой пшеницы, устойчивые по типу замедленного поражения; источники и доноры устойчивости к листостебельным и головневым болезням.

-Характеристика новых высокопродуктивных, низкостебельных сортов, источников и доноров хозяйственно ценных признаков озимой пшеницы.

Апробация работы Основные положения диссертации доложены на Республиканских и Международных конференциях по вопросам генетики, селекции, физиологии, биохимии и биотехнологии сельскохозяйственных культур, в том числе на республиканской научной конференции «Биологические основы селекции зерновых культур» (Алматы, 1996), на научно-технической конференции «Стратегия земледелия и растениеводства на рубеже XXI века» (Алматы, 1999), на Международных конференциях: «Наука и образование – ведущий фактор стратегии Казахстан-2030» (Караганда, 2002); «Современное состояние проблем и достижений в области генетики и селекции» (Алматы, 2003); на 1-ой Центрально-Азиатской конференции по пшенице (Павлодар, 2003); «Узбекистан бидай селекциясы» (Ташкент, 2004), на Международной конференции, посвященной 70-летию академика Уразалиева Р.А. (Алматы, 2005), на 2-ой Центрально-Азиатской конференции по зерновым культурам (Чолпан- Ата, 2006), на Международной конференции по проблемам развития сельского хозяйства Казахстана, Сибири и Монголии (Алматы, 2006); «Современное почвозащитное производство в степных регионах» посвященной 50-летию института зернового хозяйства (Шортанды, 2006); на Международной конференции проблемы АПК охраны окружающей среды (Кызылорда, 2008); на Международной научно-технической конференции, посвященной 120-летию со дня рождения Н.И.Вавилова (Новосибирск, 2008); на 11 Международной научно-практической конференции по проблемам «Аграрная наука – сельскохозяйственному производству Казахстана, Сибири и Монголии» (Шымкент, 2009); «Достижения и перспективы земледелия, селекции и биологии сельскохозяйственных культур» (Алмалыбак, 2010); «Научно-методические системы безопасности и обеспечение качества продуктов питания» (Одесса, 2010).

Публикации По результатам исследований опубликовано 77 научных работ в научных журналах и сборниках, а также в материалах республиканских и международных конференций. Получены авторские свидетельства на сорта Алмалы (№134 от 30.09.2002), Арап (с 2004 г.) в Киргизии, Таза (№135, 30.11.2002), Нуреке (№293, 13.06.2007), Алия (№ 274, 01.05.2006), Майра (№ 320, 27.05.2008), 1-патент на сорт Алмалы с 2010г.

Структура и объем работы Диссертация изложена на 207 страницах компьютерного текста, включает 68 таблиц, 8 рисунков. Диссертация состоит из 5 разделов, включая практические результаты, рекомендации производству, заключение и выводы. Список использованных источников включает 252 наименований, в том числе 50 на иностранных языках.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1 Состояние изученности проблемы (Обзор литературы)

В этом разделе обобщена информация, касающаяся систематики и происхождения 28 хромосомных культурных видов пшениц, их ботаническое разнообразие, географическое распространение, морфологическая и физиологическая характеристика, а также приведены основные направления селекции озимой пшеницы на юге и юго-востоке Казахстана. Отмечено, что вопросы филогении пшениц и определение генетического положения отдельных видов или групп видов требуют уточнения и дальнейшего углубленного изучения с привлечением образцов мировой коллекции.

Метеорологические условия по годам исследований сложились неодинаково. Так, наиболее неблагоприятные (засушливые, жаркие) погодные условия для озимой мягкой пшеницы имели место в 1991, 1995, 1997 и 2001 годах. В эти годы в начальный весенний период вегетации растений ( март, апрель, май месяцы) выпали осадки от 50 до 80 мм., в сравнении со среднемноголетними значениями – 170 мм или на 90 – 120 мм ниже осадков, чем среднемноголетняя, а среднемесячная температура была на 2-4^оС выше, чем среднемноголетняя. Все эти отрицательные факторы окружающей среды значительно повлияли на урожайность озимой пшеницы. В целом за годы исследований (1991–2007гг.), благоприятные условия зимнего и весенне-летнего периода, как и в предшествующие годы, характеризовались мягкой зимой, влажной весной, жарким летом, что позволило получить хороший урожай (от 45 до 80 ц/га) озимой пшеницы и в полной мере провести оценку выделившихся линий на их продуктивность, мукомольно-хлебопекарные качества и устойчивость к болезням и вредителям.

Межвидовые гибриды F₁-F₃ детально описывали, при определении видовых и разновидностных признаков пшеницы по К.А. Фляксбергера ( 1915,1935). По комплексу морфологических признаков все расщепляющиеся формы межвидовых гибридов второго и последующих поколений разделили в основном на три группы: материнские, отцовские (приближающиеся к материнским и отцовским) и промежуточные между родительскими формами. По каждой комбинации было проанализировано от 80 до 350 растений. Для статистической оценки соответствия фактического расщепления теоретически ожидаемых данных (р) вычисляли методом Хи-квадрат по Лобашову (1967).

На ранних этапах селекционного процесса, на основании визуальных оценок (методом Педигри и пересева в гибридных популяциях F₂-F₃) выделяли лучшие растения. В пределах наиболее перспективных комбинаций отбирали элитные растения - от 50 до 600 линий, в остальных комбинации по 20-50 линий. Лучшие из них испытывали в контрольном (10 м²), в предварительном сортоиспытании (20 м²), в конкурсном сортоиспытании (20 м²) в трехкратной повторности, парно-групповым методом, с высевом 3,5-4 млн. всхожих семян на 1 га. Наблюдение и учет урожая и обработку материала проводили по методике государственного сортоиспытания, Москва (1985). По всем параметрам признаков линий, оценку проводили по 9-ти бальной шкале, по методике «Международного классификатора» СЭВ, (1984).Результаты обрабатывали статистическим методом Доспехова (1973).

Устойчивость к болезням. В условиях поле и искусственный инфекционный фон ржавчины создавали местными популяциями гриба по методике Гешеле (1978). Степень перезимовки определяли визуально по 9-ти бальной шкале по модифицированной методике КазНИИЗиР.

Агрофон и особенности агротехники. Обработку поля и уход за посевами осуществляли согласно принятым рекомендациям для озимой пшеницы в данной зоне (Абугалиев, 2005, Амантаев,1969).

3 МЕЖВИДОВАЯ ГИБРИДИЗАЦИЯ

3.1 Генетические особенности равнохромосомных видов пшениц.

До настоящего времени вопросы систематики и филогении пшеницы решали преимущественно методом дифференциальной систематики и дифференциальной географии. При определении систематического положения видов крупные систематики главным образом описывали морфотипы и, следовательно ограничивались анализом их морфологической изменчивости. Однако для исследования происхождения видов, а также для изучения факторов эволюции необходимо генетическое исследование вида. Такой подход позволяет скрывать систему изменчивости и гомологии в наследственной детерминации тех или иных свойств и признаков, что и в конечном итоге ведет к познанию и установлению общих путей эволюции видов в роде Triticum. Этот подход а также позволяет определять генетически потенциал вида при межвидовых скрещиваниях в селекции пшеницы. Н.И.Вавилов (1964) подчеркивал, что для решения вопросов филогенеза растений одного морфологического изучения недостаточно. Он считал, что основным критерием вида являются: способность к скрещиванию, фертильность, жизнеспособность гибридов, гомологичность набора хромосом и наконец различием ареалов.

Как показал наш опыт, в результате межвидовых скрещиваний пшеницы в пределах генома А^uВ виды пшеницы с геномом А^uВ легко скрещиваются между собой и дают высокий процент удачи (74%). Завязываемость гибридных зерен при скрещиваний различных разновидностей T.aethiopicum c другими видами: T. durum (k-45408), T.turgidum(k- 43174), T.persicum (K-7887), T.turanicum (k-40162), T.polonicum (k-22687) при прямых скрещиваниях составил 69,5; 86; 77,3; 76,0; 82%, соответственно, а при обратных - 62,4; 82,0; 74,0; 64,0; 80,2%. В среднем за 2 года при опылений 2682 цветков эфиопских пшеницы пыльцой видов: T. durum, T.turgidum, T.persicum, T.turanicum, T.polonicum было получено 1980 гибридных зерен, а завязываемость при прямых скрещиваниях составила 77,0%, а при обратных- 74%. Полученные нами результаты реципрокных скрещиваний по завязываемости гибридных зерен у межвидовых равнохромосомных видов (с геномом А^uВ) показали, что каких-либо заметных отличий по скрещиваемости, все без исключения растения дали высокий процент удачи (от 69 до 82%).

В процессе расщепления межвидовых гибридов, наибольшее число растений относилось к группе эфиопских, персидских и туранских пшениц. Наименьшее число растений относилось к T.durum и T.turgidum. Так, например, при прямых скрещиваниях T.turgidum var.sаlomonis × T.aethiopicum var.meneliki наибольшее число растений относилось к группе эфиопских пшениц (79%), к группе тургидных пшениц (21%) при этом промежуточные формы отсутствовали, а при обратных скрещиваниях наибольшее число растений относилось к группе T.aethiopicum (50%), к группе тургидум (35%), а также выщепились растения приближающиеся к T.aethiopicum (7,7%) и к T.turgidum (6%) при этом промежуточные формы отсутствовали. В комбинации T.turgidum var. sаlomonis x T.turanicum Var .notabile наибольшее число растений относилось к группе T.turanicum var.notabile (47%), наименьшее число растений относилось к группе T.turgidum (8%), а также выщепились растения, приближающиеся к T.turanicum (14%), к группе T.turgidum (21%), и промежуточные группы (3%). При скрещивании T.turgidum var.sаlomonis c T.durum Харьковская-46, в процессе расщепления в F₂, наибольшее число растений (80%) относилось к типу T.turgidum, наименьшее число растений было отнесено к T.durum (19%) при этом промежуточные формы вообще отсутствовали.

Рисунок 1- форма колоса T. dicoccum выщепилась при скрещивании T.persicum var.fuliginosum с T.durum var.hordeiforme.

Рисунок 2 - Форма Т.durum subsp. abyssinicum Vav. с легким обмолотом колоса (k) вышепилась при скрещиванич T.turgidum (К-10342) с T.turanicuм