Гетерозис в селекции подсолнечника и его перспективы (обзор)

Подсолнечник ( Helianthus annuus L.) является третьим по значимости источником растительного масла в мире, обладает низкими или умеренными требованиями к условиям выращивания, высоким качеством масла, содержанием белка и пригодностью к использованию всех частей растения. Масло считается высококачественным из-за высокой концентрации полиненасыщенных жирных кислот. Семена подсолнечника широко используются в хлебопечении и кондитерской промышленности. Их добавляют в тесто для повышения пищевой ценности готовых изделий. Кроме того, продукты переработки – шрот и жмых, получаемые после отжима масла, также находят широкое применение. Шрот и жмых содержат до 50 % сырого протеина, поэтому используются для производства высокобелковых добавок в хлебобулочные изделия, а также мучных кондитерских изделий.

На первых этапах селекции этой культуры создавались и использовались в производстве только сорта-популяции, а после открытия у подсолнечника форм с цитоплазматической мужской стерильностью и восстановителей фертильности пыльцы процесс в большей степени был направлен на создание высокогетерозисных гибридов.

Гетерозис – явление увеличения мощности и жизнеспособности, повышение продуктивности гибридов первого поколения по сравнению с родительскими формами [1; 2; 3; 4; 5; 6; 7].

В результате расщепления по генам во втором и последующих поколениях эффект гетерозиса постепенно затухает [8; 9].

Что касается подсолнечника, то наиболее простым методом получения гибридных семян является скрещивание между сортами. В начале прошлого века такие исследования проводились в нашей стране [10; 11; 12]. Учитывая то, что межсортовые гибриды не давали существенного повышения урожайности, исследования в этом направлении практически не имели успеха.

В дальнейшем начались исследования по созданию константных инбредных линий для получения на основе их скрещивания межлинейных гибридов подсолнечника. Начало этим исследованиям положила Е.М. Плачек [10; 11]. В последующем аналогичные исследования стали проводить В.К. Морозов [13], В.С. Пустовойт [12], С.Н. Щербак [14] и И.Г. Ягодкин [15]. В отдельных комбинациях повышалась урожайность семян, однако у этих материалов не достигалась 100%-ная ги-бридность из-за самоопыления части цветков, что приводило к невысокой продуктивности.

Для решения этой проблемы в практике селекции стали привлекать цитоплазматически мужско-стерильные формы подсолнечника (ЦМС). Впервые такую стабильную стерильную форму получил P. Leclercq [16] в процессе межвидовой гибридизации вида H. petiolaris L. с культурным подсолнечником. Практически одновременно с этим M.L. Kinman [17] обнаружил доминантный ген восстановления фертильности пыльцы у линии Т66006, что, в свою очередь, создало все необходимые условия для производства семян гибридного подсолнечника.

Некоторыми авторами было выявлено, что у гибридов подсолнечника гетерозис проявлялся по ряду признаков: урожайности семян, высоте растений, диаметру корзинки, площади листовой поверхности, и повысилась устойчивость к ложной мучнистой росе, заразихе и ржавчине [14; 18; 19; 20; 21; 22].

Первые гибриды подсолнечника были получены В.С. Пустовойтом в 20-е годы прошлого века и несколько позже В.К. Морозовым [23], которые по урожайности семян превышали лучшие сорта на 21–41 %.

В исследованиях Вольфа В.Г., Думаче-вой Л.П. [24] более половины полученных гибридов превысило лучшего родителя, но по сравнению со стандартом таких оказалось мало – всего 10–20 %.

В дальнейшем Л.П. Думачева [25] выявила, что повышение продуктивности гибридов происходит в основном за счёт увеличения массы 1000 семян и их количества в корзинке. В её опытах максимальное проявление гетерозиса наблюдалось по урожайности семян, сбору масла и высоте растений.

J. Kesteloot, M. Collabelli et al. [26] отмечали: «Высокоурожайные гибриды, в отличие от низкоурожайных, имели длинные и широкие семядоли, длинные первые листья, крупные листья, большую высоту растений, более крупные корзинки, большую сухую массу листьев, стеблей, корзинок, большее число семян в корзинках и более высокую массу семян, были устойчивы к ржавчине».

В исследованиях В.Т. Зажарского, А.П. Михайловой и Т.Т. Егоровой [27] было выявлено, что, как правило, репродуктивное сверхдоминирование проявляется за счет признака массы 1000 семян (47,1 %), количества семян в корзинке (30,6 %) и комплекса других признаков (20,3 %).

В исследованиях N. Hladni et al. [28] наблюдалось высокое проявление эффекта гетерозиса у гибридов подсолнечника по признакам урожайности семян, их числу в корзинке и массе 1000 семян по сравнению со средними значениями родителей и с лучшим родителем.

А.Д. Бочковой и В.Д. Савченко [29] отмечали повышение устойчивости к фо-мопсису и увеличение высоты растений у гибридов подсолнечника по сравнению с родительскими линиями; что касается масличности семян, то в большинстве случаев этот признак соответствовал высокомасличному родителю, хотя иногда наблюдалось промежуточное наследование или сверхдоминирование.

В исследованиях некоторых авторов выявлен характер наследования признака массы 1000 семян. Так, у гибридов крупноплодного подсолнечника наблюдалось доминирование лучшего родителя или гетерозис [30]. Другим учёным установлено проявление гетерозиса по признаку масличности семян [31]. Причиной этого явления может быть гетерозис по числу листьев и их размеру [32], что в свою очередь вызывает интенсификацию процесса фотосинтеза и синтеза углеводов, которые являются источником вырабатывания растениями подсолнечника масла.

В.В. Бурлов [33] отмечал: «Эффективность использования метода межлинейной гибридизации в селекции на гетерозис по таким основным компонентам продуктивности, как высокая мас-личность семян и/или ядра семян, крупносемянность, а также значительная облиственность и высокорослость, предопределены проявлением по этим признакам эффектов гетерозиса либо доминирования».

В процессе создания низкорослых гибридов подсолнечника на Ростовской опытной станции ВНИИМК было изучено наследование элементов структуры урожайности, по которым в основном наблюдался гетерозис [34]. Было отмече- но, что повышение урожайности семян происходило чаще всего в связи со снижением количества пустых семян и увеличением их размеров. Признак длительности периода от всходов до цветения наследовался по раннеспелому компоненту или промежуточно с доминированием более скороспелого родителя. Превышение длительности вегетационного периода по сравнению с более поздним родителем отмечалось очень редко (1,8– 5,6 % комбинаций). Было выявлено, что с целью создания высокомасличных гибридов следует подбирать компоненты с высокими показателями этого признака или использовать восстановители фертильности пыльцы с высокой комбинационной способностью. Проявление гетерозиса по высоте растений, диаметру корзинки и массе 1000 семян отмечали крайне редко. Также установили, что тонколузжистые гибриды можно получать, используя лучших по этому признаку родителей.

Высота растений в исследованиях R. Marincovic R. [35] наследовалась по схеме сверхдоминирования. Соотношение общей комбинационной способности (ОКС) к специфической комбинационной способности (СКС) составляло 0,013, что свидетельствует о преобладании неаддитивных генных эффектов в наследовании этого признака. Что касается признака числа листьев на растении, то в основном наблюдалось частичное доминирование (75,0 % случаев), промежуточное (у 16,7 % гибридов) и сверхдоминирование (у 8,3 % изученных комбинаций).

M.T. Cheres et al. [36] и А.В. Усатовым с соавторами [37] установлено положительное влияние на урожайность гибридов подсолнечника генетической отдалённости родительских компонентов.

Результаты изучения явления гетерозиса у межлинейных гибридов подсолнечника позволили В.В. Волгину, А.Д. Обыдало [38] выявить в подавляющем большинстве комбинаций истинный гетерозис по признакам урожайности и сбору масла, по масличности гетерозис проявлялся у 45–50 % комбинаций. Наиболее важный показатель для практической селекции – конкурсный гетерозис – проявлялся значительно реже: по урожайности – у 15–30 %, по масличности – у 0–45 % и по сбору масла – у 20–30 % комбинаций.

Несколько позже В.В. Волгин и Б.Н. Бочкарев [39] отмечали: «Положительный гетерозис наблюдался у всех гибридов по таким признакам, как высота растений, наклон и диаметр корзинки, урожайность семян и сбор масла. По другим изученным показателям отмечалось проявление гетерозиса от отрицательного по толщине семян до положительного по толщине корзинки, длине, ширине и толщине семян, количеству семян в корзинке, массе 1000 семян и их масличности. Выявлено, что у всех изученных гибридов подсолнечника наблюдался достоверно высокий истинный гетерозис по сравнению с контролем (районированный гибрид) по урожайности и сбору масла, по масличности семян – в 76,9 % случаев. По показателям конкурсного гетерозиса превышение гибридов над контролем отмечалось в 61,5 % случаев по признаку урожайности семян, в 46,2 % по маслич-ности семян и в 30,8 % случаев по сбору масла».

Для селекции высокопродуктивных гибридов важное значение имеют теоретические предпосылки в объяснении такого явления, как гетерозис [40]. И действительно, для качественного прогнозирования этого явления следует обладать сведениями о генетике скрещиваемых компонентов будущих гибридов. Одним из таких направлений является процесс установления коррелятивных связей между родительскими линиями и их гибридами [41].

В исследованиях W.H. Shuster [42] была выявлена достоверная положительная корреляция у популяций и линий, созданных на их основе, между высотой растений, масличностью и урожаем.

А.И. Гундаев [43] также отмечал: «Высокая положительная корреляция наблюдалась между самоопыленными линиями и их гибридами по таким признакам, как натура (r = +0,85), масса 1000 семян (r = +0,79), урожайность (r = +0,73), сбор масла (r = +0,71) и высота растений (r = +0,51). Невысокая корреляция между лузжистостью семян и другими признаками означает, что выбраковка линий по этому показателю должна проводиться с большой осторожностью. Наконец, наследование такого важного признака, как масличность семян, может быть определено только в результате анализирующих скрещиваний».

В исследованиях J.F. Miller J.F. et al. [44] была установлена достоверная положительная корреляционная зависимость между показателями масличности и урожайности семян, однако между урожайностью родительских линий и их гибридного потомства связь была несущественной. Аналогичные высокие положительные корреляционные связи между гибридами и их родительскими линиями обнаружили Л.К. Воскобойник и И.В. Марин [45].

Ф.К. Виличку, А.В. Анащенко и Н.С. Ростова [46] писали: «Самая сильная взаимосвязь между родительскими формами и их гибридами обнаружена по признаку процентного содержания ядра в семени (r = +0,73), несколько ниже – по масличности (r = +0,46). Не установлено достоверных зависимостей между сублиниями и гибридами F 1 по продолжительности вегетационного периода, диаметру корзинки и массе 1000 семян. Авторы пришли к выводу, что для оценки СКС линий по отмеченным признакам необходимо их тестирование с последующим изучением гибридов в течение двух лет».

Достоверные и стабильные по годам корреляции между родительскими линиями и их гибридами установил М.В. Бятец [47] по признакам масличности семян, продолжительности периода всходы – цветение и числа листьев на растении. Наряду с этим, автором выявлена достоверная положительная корреляционная связь по признаку продолжительности вегетационного периода у материнских линий и трёхлинейных гибридов подсолнечника.

По данным Марина И.В. [48], признак массы 1000 семян у межлинейных гибридов подсолнечника наследуется промежуточно, с незначительным доминированием материнского родителя, а признак количества цветков в корзинке – в большей степени по отцовской линии. По результатам его исследований наиболее продуктивными оказались гибриды между малоцветковыми крупносемянными материнскими и многоцветковыми мелко-семянными отцовскими линиями.

Достоверные положительные корреляции между гибридами и их родительскими линиями наблюдались в исследованиях D. Scoric [49] по признакам урожайности и масличности семян, высоте растений, лузжистости, площади листовой поверхности и числу листьев.

Посредством регрессионного анализа было определено, что половина всех изменений масличности семян гибридов определяется уровнем этого признака у родительских линий [44].

Существенные положительные корреляции между гибридами и их родителями отмечались по признакам высоты растений и продолжительности периода всходы – цветение, диаметра корзинки и высоты растений, урожайности семян и диаметра корзинки [50].

Большие различия между родительскими линиями и их гибридами были отмечены по признакам масличности, урожайности и сбора масла, по числу листьев на растении, площади листовой поверхности и длине черешка [51].

J. Joksimovic [52] в своих исследованиях выявил положительную корреляционную связь между гибридами подсолнечника и их родительскими линиями по призна- кам высоты растений, площади листовой поверхности на растении, содержанию сухого вещества в листьях, завязываемо-сти семян, количеству сухого вещества в стеблях, листьях и вегетативной части растений. В.В. Кириченко [40] отмечал: «Наиболее часто отрицательная корреляция между генетическими оценками линий и гибридов подсолнечника проявляется по признаку длительности вегетационного периода».

В.В. Волгиным и А.Д. Обыдало [53] определены существенно высокие корреляционные взаимосвязи между простыми гибридами и их родителями по признакам урожайности, масличности, сбору масла и массы 1000 семян с растения. У трёхлинейных гибридов и их отцовских линий достоверно высокие корреляции наблюдались по признакам продолжительности периода всходы – цветение, высоты растений, наклона корзинки и количеству семян в корзинке. Селекционеры, которые создают ветвистые линии-восстановители фертильности пыльцы подсолнечника, должны принимать во внимание факты, открытые E. Andrei, C.D. Jitareanu [54], которые включают значительную корреляцию между числом рядов трубчатых цветков в корзинке и общим числом трубчатых цветков (r = +0,71) и числом выполненных семян (r = +0,67). Также были установлены достоверные корреляции между урожаем и массой 1000 семян с количеством пыльцы (r = +0,50 и r = +0,39 соответственно). Таким образом, эти признаки могут использоваться в процессе создания линий-восстановителей фертильности пыльцы.

Рядом ученых были получены дополнительные данные по гетерозису хозяйственно полезных признаков у подсолнечника. Например, Ана Капатана [55] установил, что митотическая активность интенсивнее у гетерозиготных генотипов по сравнению c гомозиготными линиями. Выявлены связи между признаками продуктивности этой культуры и их ассоциа- ция с эффектом гетерозиса. Определение качественных и количественных особенностей суммарных и фракционных белков позволили выявить генетический полиморфизм у гомо- и гетерозиготных генотипов подсолнечника и получить новые факты и доказательства в поддержку существующих гипотез и теорий гетерозиса, а именно доминантного и кодоминантного наследования молекулярных компонентов белков и ДНК. Уровень полиморфизма коррелирует с проявлением разных агрономических показателей.

В опытах Н.В. Примеровой с соавторами [56] у гибрида F 1 подсолнечника с участием мутантной линии Virescent выявлена значительная депрессия по признаку количества семян в корзинке. По признакам массы 1000 семян и маслично-сти у гибридов с использованием соответствующих мутантов Viridis и Virescent обнаружен значительный гетерозисный эффект.

В работе А.В. Усатова и других [57] «десять элитных инбредных линий (3 Rf-линий и 7 ЦМС-линий) и их гибриды были исследованы по высоте, урожайности растений, массе 1000 семян, масличности и лузжистости семянок. Полевые испытания проводили шесть сезонов. Генетические расстояния между родительскими линиями подсолнечника варьировали от 0,45 до 0,74. Обнаружена достоверная положительная корреляция эффекта гетерозиса по урожаю семян (r = 0,79, p < 0,05) в зависимости от генетических дистанций между родительскими линиями».

А.В. Усатов с соавторами [58] также выявили, что «при скрещивании ряда внеядерных хлорофильных мутантов с растениями дикорастущей формы подсолнечника, независимо от мутантного пластома и соответственно содержания хлорофилла a + b, у гибридов F1 наблюдается эффект гетерозиса по признакам, характеризующим габитус растения, таким как высота растений и размер листовой пластинки. По признаку скорость роста были получены неоднозначные результаты: от 86 % превышения у гибрида с участием мутанта en:chlorina-7 до полного отсутствия гетерозиса у гибрида с участием родительской линии формы en:chlorina-6. Эти результаты свидетельствуют о высоком вкладе пластидных генов в контроль признака. По признакам диаметр корзинки и масса 1000 семян за исключением мутанта en:chlorina-3, который имел наименьшие показатели, все гибридные комбинации оказались сходными с мутантными формами и значительно (р < 0,05) превосходили по этим показателям дикорастущий подсолнечник. Следовательно, в формировании этих признаков наряду с ядерными генами принимает участие и пластом. По признаку масличности семян эффект гетерозиса у всех изученных гибридов не выявлен».

Викрант Таяги и другие [59] оценивали гетерозис гибридов подсолнечника в процентах по сравнению с лучшим родителем, со средним родителей и с контролем (PSH-996). Наблюдался положительный гетерозис по сравнению с лучшим родителем по урожайности, масличности и содержанию олеиновой кислоты независимо от окружающей среды (богар и орошение). В этом исследовании сравнили гетерозисный эффект различных цитоплазматических комбинаций у подсолнечника при водном стрессе, а также при нормальных условиях.

Наиболее перспективным направлением создания линий подсолнечника с высоким проявлением продуктивности семян в их гибридном состоянии является секвенирование генома. Применение технологий маркирования однонуклеотидного полиморфизма (SNP) в качестве инструмента в программах селекции подсолнечника открывает огромный потенциал для улучшения генетики подсолнечника и способствует более быстрому выводу перспективных гибри- дов на рынок [60]. Однако этот процесс вызывает многие затруднения, в особенности при маркировании количественных признаков, в связи с этим в настоящее время в основном проводится секвенирование по качественным, морфологическим признакам и устойчивости к ряду болезней подсолнечника, а также по различным типам цитоплазматической мужской стерильности [61; 62]. В исследованиях других авторов выявлены 52 полиморфных локуса, которые можно использовать для генотипирования образцов подсолнечника [63]. В.А. Хачумовым [64] на основе полных нуклеотидных последовательностей хлоропластной и митохондриальной ДНК разработана информативная панель SSR-маркеров, позволяющая идентифицировать не только однолетние и многолетние виды подсолнечника, но и селекционные линии H. annuus L. С помощью разработанной тест-системы удалось    установить    генотипические дистанции между исследуемыми образцами. Несмотря на значительную трудоёмкость и финансовые затраты, данный метод способствует ускорению процесса селекции и совершенствует его у многих сельскохозяйственных культур, в том числе у подсолнечника.

Подсолнечник в основном выращивают для получения масла. Гибриды подсолнечника позволяют оптимизировать состав одного или двух компонентов, что приводит к высокому урожаю. Селекция подсолнечника ведётся на значительное число признаков (более чем по 30 признакам), основными из них являются:

• -    высокая продуктивность;

• -    устойчивость к болезням;

• -    высокие масличность и качество масла; - технологичность;

• -    адаптивность.

В настоящее время создаются и уже созданы гибриды масличного подсолнечника с потенциальной урожайностью 4,5– 5,5 т/га и масличностью семян 49–54 %. Как правило, такие гибриды характери- зуются наличием 1200–1800 шт. семян в корзинке и массой 1000 семян 50–80 г.

Подводя общий итог, можно сделать вывод о целесообразности отбора родительских линий подсолнечника по комплексу хозяйственно-биологических признаков, положительно влияющих на проявление гетерозиса в потомстве их гибридов. Одним из наиболее перспективных методов создания высокопродуктивных гибридов является секвенирование генома гибридов и родительских линий. Следует отметить, что классические методы не уступают своих позиций при условии генетического многообразия исходного селекционного материала и, в особенности, при отборе на качественные признаки.