«Эволюционный» метод отбора на повышение устойчивости гречихи посевной к инбридингу

гречихи наибольшее значение имеет общая комбинационная способность компонентов популяции [4], поэтому отбор на высокую устойчивость к инбредной депрессии ( т . е . на наличие благоприятных доминантных аллелей ) должен сопровождаться ростом продуктивности межлинейных гибридов .

Нами были изучены различные методы селекции гречихи на повышение устойчивости гречихи к инбредной депрессии и возможности использования их в селекции на повышение урожайности .

Материалы и методика исследований

В качестве исходного материала для самоопыления были взяты растения гибрида между сортом Молва и формой Гд 11, несущей ген гомостилии дикого автогамного вида гречихи F.homotropicum («исходная» популяция) [5]. 4 наиболее продуктивные линии I6 были скрещены для формирования «улучшенной» популяции, из которой были заложены линии второго цикла самоопыления. Обе популяции пересевались в 1999-2001гг и ежегодно из них для изучения урожайности отбирали массовым отбором отдельно длинностолбчатые (Д) растения (МО Д - гетерозисный вариант популяции), гомостильные (Г) растения (МО Г - вариант с максимальной степенью самоопыления) и смесь (в равных соотношениях) Д и Г растений (МО Д+Г -вариант с частичным самоопылением). Полученные семена использовали для испытания урожайности. Конкурсное сортоиспытание проводили по стандартной методике: учетная площадь делянки 10 м2, повторность 10-кратная, посев рядовой с нормой высева 3 млн. зерен на 1 га. В качестве сорта-стандарта использован районированный сорт Молва.

Самоопыленные линии гречихи получали и испытывали по методике , описанной нами ранее [6]. Продуктивность инбредных линий первого и второго цикла была изучена в 1999…2001 гг в полевых условиях в широкорядном (10 х 30 см ) посеве . Контролем служили растения исходных гибридных популяций . Степень инбредной депрессии ( δ ) вычисляли по формуле δ = 1- w_s/w_o, где w_s - значение признака у самоопыленной линии , w_o - значение признака у растений исходной гибридной популяции [7]. Величину кумулятивной инбредной депрессии рассчитывали как производную депрессии полевой всхожести семян , выживаемости растений к уборке и массы плодов .

Результаты и их обсуждение

Сравнительное изучение продуктивности инбредных линий показало , что у линий второго цикла проявилась довольно сильная инбредная депрессия по всем изученным признакам ( табл . 1), хотя величина снижения изученных показателей была меньше , чем у исходных линий : кумулятивная инбредная депрессия линий I 1 первого и второго цикла составила 0,709 и 0,553, соответственно ( т . е . снизилась на 0,156).

Изучение урожайности гомостильных популяций в конкурсном сортоиспытании показало , что в условиях рядового посева величина инбредной депрессии всех признаков подчинялась тем же закономерностям , что и в широкорядном посеве ( в опыте по изучению продуктивности линий ), и зависела от уровня самоопыления в популяциях . Урожайность потомств от частичного самоопыления была существенно ниже , чем в гетерозисном варианте , у обеих популяций : инбредная депрессия урожайности потомств Г + Д и Г растений « исходной » популяции составила 0,30 и 0,47, « улучшенной » популяции – 0,22 и 0,39, соответственно ( табл . 2, 3). Таким образом , устойчивость « улучшенной » популяции к инбредной депрессии возросла : в варианте с максимальной степенью самоопыления величина кумулятивной инбредной депрессии « исходной » популяции составила 0,569, « улучшенной » - 0,485 ( т . е . снизилась на 0,084).

Повышение устойчивости к инбредной депрессии в ходе рекуррентной селекции, основанной на гибридизации наиболее продуктивных инбредных линий, отмечалось и на других культурах. Так, El-Nahrawy M.A., Bingham E.T. [8] установили, что у люцерны инбредная депрессия укосной массы линий S1 из улучшенной популяции (гибрид 16 лучших линий S4) составила 0,195, из исходной – 0,279 (т.е. наблюдалось снижение инбредной депрессии, хотя и не очень значительное). Сравнения урожайности популяций в данной работе не проводилось .

Интересно отметить , что в условиях более плотного ценоза ( при изучении популяций в конкурсном сортоиспытании ) инбредная депрессия была ниже , чем при анализе линий ( в широкорядном посеве ): инбредная депрессия урожайности изученных популяций была значительно ниже , чем депрессия продуктивности не только исходных линий , но и линий второго цикла . Так , инбредная депрессия урожая зерна вариантов с отбором Г растений « исходной » и « улучшенной » популяций составила 0,47 и 0,39, соответственно , тогда как депрессия массы зерна линий второго цикла – 0,51 ( табл . 1, 2).

Таблица 1 – Инбредная депрессия ( δ ) у инбредных линий гречихи (среднее за 1999-2001гг)

Признак	Поколение инбридинга
	I 1 1	I 2 1	I 3 1	I 4 1	I 5 1	I 6 1	I 7
	линии первого цикла
изучено линий	291	126	94	90	125	105	152
полевая всхожесть семян	0,10	0,06	0,08	0,08	0,09	0,08	0,15
выживаемость растений к уборке	0,05	0,04	0,05	0,06	0,05	0,07	0,06
биомасса растений	0,39	0,54	0,61	0,66	0,69	0,69	0,72
масса зерна с растения	0,66	0,75	0,81	0,83	0,88	0,88	0,88
	линии второго цикла
изучено линий	157	161	109	86	89	64	21
полевая всхожесть семян	0,07	0,13	0,06	0,21	0,05	0,07	0,15
выживаемость растений к уборке	0,02	0,01	0,04	0,05	0,01	-0,01	0,05
биомасса растений	0,32	0,47	0,49	0,58	0,54	0,55	0,63
масса зерна с растения	0,51	0,70	0,65	0,77	0,77	0,82	0,84

Таблица 2 – Агробиологическая характеристика гомостильных популяций гречихи (среднее за 2000-2002 гг.)

Популяция	Полевая всхожесть семян, %	Выживаемость растений к уборке, %	Урожай биомассы, г/кв.м.	К хоз , %
Молва (стандарт)	84,2	81,9	603	14,7
«исходная» популяция
МО Д	85,1	84,0	681	15,5
МО Г+Д	77,8 (0,10)*	76,6 (0,08)	612 (0,10)	14,4 (0,12)
МО Г	78,4 (0,09)	74,1 (0,11)	530 (0,22)	14,9 (0,11)
«улучшенная» популяция
МО Д	86,8	81,8	617	16,4
МО Г+Д	82,6 (0,04)	76,7 (0,05)	585 (0,05)	14,7 (0,08)
МО Г	80,0 (0,07)	74,4 (0,09)	542 (0,11)	14,9 (0,09)
НСР05	6,24	5,91	63,5	1,27

*в скобках указана величина инбредной депрессии ( δ ) относительно гетерозисного варианта (МО Д) данной популяции

Это может быть связано с частичным переопылением Г растений в популяциях. Кроме того, при пересеве популяций мог произойти отбор Г растений с повышенной устойчивостью к инбридингу. Третья причина может состоять в том, что в условиях загущения растения гетерозисных вариантов не в полной мере реализуют свой высокий потенциал продуктивности вследствие усиления автоконкуренции и уменьшения площади питания растений.

Таким образом , снижение величины инбредной депрессии в результате проведенного цикла селекции было относительно небольшим , что свидетельствует о необходимости длительной селекционной работы для создания инбредных линий и гомостильных популяций , устойчивых к инбридингу . В то же время , относительно лучшего районированного сорта - стандарта урожайность отборов МО Д + Г и МО Г составила у « исходной » популяции 59,9% и 46,2%, у « улучшенной » популяции – 86,4% и 67,4%, соответственно . Таким образом , формирование из наиболее продуктивных инбредных линий двухкомпонентных ( из Д и Г растений ) популяций гречихи позволяет обеспечить урожайность , приближающуюся к уровню лучших районированных гетеростильных сортов . В гетерозисном состоянии ( МО Д ) « исходная » популяция достоверно уступила по урожайности сорту - стандарту Молва , как по урожаю биомассы , так и по урожаю зерна ( табл . 2, 3), тогда как « улучшенная » популяция на протяжении всех трех лет изучения превосходила по урожайности стандарт , причем в течение двух лет статистически достоверно . Её преимущество было обеспечено усилением оттока ассимилянтов на формирование урожая зерна . Урожай биомассы не уступал сорту - стандарту ( табл . 3).

Таблица 3 – Урожайность гомостильных популяций гречихи (среднее за 2000-2002гг)

Популяция	2000 г.	2001 г.	2002 г.	Средний урожай зерна
				ц/га	% к стандарту
Молва (стандарт)	19,3	11,3	3,6	11,4
«исходная» популяция
МО Д	18,2	9,6	2,7	10,2	84,6
МО Г+Д	12,3 (0,37)*	8,6 (0,11)	1,5 (0,45)	7,4 (0,30)	59,9
МО Г	11,9 (0,35)	6,3 (0,35)	0,8 (0,71)	6,3 (0,47)	46,2
«улучшенная» популяция
МО Д	21,1	13,4	3,8	12,8	112,3
МО Г+Д	19,2 (0,09)	10,5 (0,22)	2,4 (0,37)	10,7 (0,22)	86,4
МО Г	15,0 (0,29)	7,8 (0,42)	2,0 (0,47)	8,6 (0,39)	67,4
НСР05	1,66	1,03	1,59	-	-

*см. табл. 2

Следует отметить, что у основных сельскохозяйственных культур уровень гетерозиса межлинейных гибридов в F2 и последующих поколениях, как правило, существенно снижается [1]. В наших опытах высокий уровень гетерозиса сохранялся на протяжении всех лет размножения и изучения «улучшенной» популяции. Явление такого длительно не затухающего гетерозиса успешно использовалось в селекции гречихи, однако условием высокой урожайности сортов-синтетиков является сохранение высокой гетерозиготности. Так, исследованиями А.Н. Соболева [9] установлено, что формирование популяции менее чем из 13-15 семей ведет к снижению её гетерозиготности и появлению признаков инбредной депрессии. В нашем опыте высокий урожай дала популяция, полученная в результате скрещивания лишь 4 линий.

Аналогичная работа была проделана J.H.Willis [7] на модельном объекте Mimulus guttatus : были заложены 1200 линий , из которых после пяти самоопылений сохранилось 335. Эти линии были скрещены между собой с целью получения популяции , « очищенной » от вредных генов с сильным эффектом . Продуктивность растений оценивали по комплексу косвенных критериев , в т . ч . числу цветков на растение и числу семязачатков и жизнеспособных пыльцевых зерен в цветках . Величина всех изученных показателей « улучшенной » популяции была выше , чем у исходной , однако величина инбредной депрессии снизилась в небольшой степени . Величина этого снижения , по мнению автора , характеризует вклад вредных генов с сильным эффектом ( мутаций , вызывающих стерильность , хлорофилльную недостаточность и т . п .) в инбредную депрессию . Рост продуктивности « улучшенной » популяции автор объясняет тем , что в ходе инбридинга сохранились генотипы , наиболее приспособленные к условиям выращивания в теплице , где проводились опыты [7].

Проведенный нами анализ числа морфологически отличных вариантов в линиях I 1 « улучшенной » популяции гречихи показал , что произошло её частичное очищение от вредных мутаций : число предполагаемых мутаций в I₁ сократилось с 0,63 мутаций / линию у « исходной » популяции до 0,33 мутаций / линию у « улучшенной » популяции . Возможно , это в какой - то степени объясняет снижение инбредной депрессии у линий второго поколения , однако повышение урожайности « улучшенной » популяции не может быть объяснено только её « очищением » от рецессивных леталей и полулеталей . Возможно , повышенная продуктивность линий , использованных для создания « улучшенной » популяции , обусловлена аккумуляцией в их генотипе комплекса благоприятных доминантных аллелей , объединение которых при гибридизации обеспечило более высокий уровень гетерозиса . Такое объяснение соответствует « доминантной » теории гетерозиса .

Таким образом, создание устойчивых к инбредной депрессии линий и популяций гречихи требует длительной поэтапной селекции. В то же время, объединение комплексов генов, обеспечивающих выживание и повышенную продуктивность линий в ходе длительного самоопыления, способно обеспечить проявление длительно незатухающего гетерозиса при их гибридизации. Полученная «улучшенная» популяция, получившая название «Донор ККГ (компенсационного комплекса генов)», была нами успешно использована в селекции в качестве донора высокого длительно сохраняющегося гетерозиса [10].

Поскольку сочетания благоприятных аллелей крайне редки , требуется проведение селекции в больших масштабах . Использование биологического метода самоопыления с применением гомостилии [11] позволяет отказаться от механической изоляции растений , однако получение и оценка продуктивности инбредных линий гречихи остаётся весьма трудоёмким процессом .

Ранее нами были установлены следующие важные закономерности реакции гречихи на инбридинг [5, 6, 12]:

• гомостильные растения с геном гомостилии дикого вида F. homotropicum в высокой степени склонны к самоопылению даже при обилии пыльцы других растений ;

• аттрагирующая способность семян не зависит от гомозиготности их генотипа ;

• распределение ассимилянтов в растении ( степень их оттока в семена ) контролируется генами с аддитивным эффектом ;

• инбредная депрессия в минимальной степени проявляется на стадии гетеротрофного питания организма ( формирования семян ), и начинает действовать на стадии автотрофного питания ( с момента прорастания семян и до формирования урожая );

при скрещивании с гетеростильным сортом происходит восстановление продуктивности растений до нормального уровня , а в ряде случаев наблюдается гетерозисный эффект .

На основе выявленных закономерностей нами был разработан и применен метод « эволюционной » селекции : в результате скрещивания формы Гд 11 с сортом Дикуль была получена гомостильная детерминантная популяция Дикуль - Гд 11. После первого самоопыления семена гомостильных растений высевались в полевых условиях рядовым способом в смеси с семенами индетерминантного сорта Молва . Ж есткая конкуренция с более высокорослыми индетерминантными растениями в условиях плотного ценоза должна была обеспечить выбраковку наиболее подверженных инбредной депрессии генотипов ; наличие четкого морфологического маркера ( детерминантный тип роста ) обеспечивало выбраковку переопылившихся растений в потомстве . Следующим этапом был пересев потомств и отбор длинностолбчатых растений ( дающих потомство только от перекрестного опыления ) с целью снятия инбредной депрессии и рекомбинации благоприятных аллелей . После этого следовал следующий цикл отбора . Поскольку вектор отбора в таких условиях направлен на повышение общей мощности растений , на всех этапах отбирали растения с повышенным К хоз и оптимальной архитектоникой растений (5-6 узлов в зоне ветвления стебля ). Из полученной после пяти циклов эволюционного отбора популяции были заложены инбредные линии второго поколения , которые мы сравнили в полевых условиях с линиями из исходной популяции Дикуль - Гд 11. В этом же 114

опыте была оценена продуктивность линий второго поколения , полученных традиционным методом ( на основе отбора и скрещивания наиболее продуктивных линий ).

Установлено , что оба метода обеспечивают получение линий с повышенной устойчивостью к инбридингу ( табл . 4, 5).

Таблица 4 – Инбредная депрессия ( δ ) линий I₁, полученных различными методами (2003 г.)

Показатель	Метод гибридизации наиболее продуктивных линий		«Эволюционный» отбор
	исходные линии	линии второго цикла	исходные линии	линии второго цикла
изучено линий	33	42	25	38
полевая всхожесть	0,091	0,076	0,097	0,106
выживаемость растений к уборке	0,088	0,065	0,104	-0,047
урожай биомассы	0,529	0,380	0,553	0,286
урожай зерна	0,724	0,441	0,701	0,458
Кхоз	0,378	0,059	0,122	0,195
масса 1000 зерен	0,107	0,062	0,091	0,112

Таблица 5 – Кумулятивная инбредная депрессия ( δ ) линий I₁, полученных различными методами (2003 г.)

Кумулятивна я инбредная депрессия, рассчитанная с учетом	Линии, полученные путем оценки по продуктивности		Линии, полученные «эволюционным» отбором
	линии исходной популяции	линии второго цикла	линии исходной популяции	линии второго цикла
депрессии урожая биомассы	0,610	0,464	0,638	0,331
депрессии урожая зерна	0,771	0,518	0,758	0,493

При использовании « эволюционного » отбора в наибольшей мере снизилась депрессия биомассы растений . Видимо , это обусловлено тем , что такой отбор в первую очередь направлен на повышение конкурентоспособности , т . е . общей мощности растений . Тем не менее , использование дополнительной оценки растений по величине К хоз позволило повысить устойчивость линий к депрессии зерновой продуктивности . Изменение величины кумулятивной инбредной депрессии линий , полученных эволюционным отбором , было несколько большим , чем для линий , отобранных традиционным методом .

Созданная в результате проведенных отборов двухкомпонентная ( Гд + Д ) популяция получила наименование Дикуль - ККГ и была вовлечена в скрещивания с целью перевода на гетеростильную основу и проверки её пригодности как донора компенсационного комплекса генов в селекции гетеростильных сортов .

Популяция Дикуль - ККГ была скрещена с исходным сортом Дикуль . Полученный гибрид ( ДМ –

Дикуль модифицированный ) был размножен и в течение 3 лет гибрид F₅ проходил конкурсное испытание , обеспечив достоверное превышение по урожайности над сортом Дикуль за счет повышения , как урожая биомассы , так и К_хоз ( табл . 6).

Таблица 6 – Урожайность популяции ДМ (Дикуль модифицированный) в конкурсном сортоиспытании. Среднее за 2004…2006гг.

Сорт	Продолжительность периодов , сут .			Урожайность , т / га		К хоз , %
	вегетати вного	генерати вного	вегетаци онного	зерна	биомассы
Дикуль ( стандарт )	29,3	47,0	76,3	2,05	7,89	24,6
ДМ	30,3	47,3	77,7	2,17	8,20	26,7
НСР 05	-	-	-	0,117	-	-

Достоверное превышение над сортом - стандартом показал и гибрид F₅ выделенной нами короткостебельной формы Малыш с популяцией Дикуль - ККГ , получивший название « Малыш ККГ » ( табл . 7). Рост урожайности также был обеспечен повышением , как урожая биомассы , так и К хоз .

Таблица 7 – Урожайность популяции Малыш ККГ в конкурсном сортоиспытании (2005г.)

Сорт	Урожайность , т / га		К хоз , %
	зерна	биомассы
Дикуль	2,08	8,00	22,2
Малыш	1,87	7,73	23,3
Малыш ККГ	2,42	8,28	25,6
НСР 05	0,195	-	-

Таким образом , использование « эволюционного » отбора гомостильных растений обеспечивало быстрое накопление и закрепление в потомстве генотипов с повышенной устойчивостью к инбредной депрессии и позволило работать методом массового отбора . Разработанный метод селекции является значительно менее трудоёмким , чем традиционный метод оценки инбредных линий по продуктивности и гибридизации лучших линий . Установлена перспективность использования в скрещиваниях популяций гречихи с повышенной устойчивостью к инбредной депрессии для получения длительно сохраняющегося гетерозиса .

Теоретический и научно - практический журнал . Основан в 2005 году

Свидетельство о регистрации ПИ №ФС77–21514 от 11.07. 2005 г.

Подписано в печать 28.12.2010 Формат 60х84/8. Бумага офсетная.

Гарнитура Таймс.

Объём 18,5 усл. печ. л. Тираж 300 экз. Издательство Орел ГАУ, 302028, г. Орел, бульвар Победы, 19.

Лицензия ЛР№021325 от 23.02.1999 г.

Ж урнал рекомендован ВАК Минобрнауки России для публикаций научных работ, отражающих основное научное содержание кандидатских и докторских диссертаций

Содерж ание номера