Оценка мутагенных образцов чеснока озимого

Forcitations:Nemtinov V.I., Kostanchuk Yu.N. Evaluation of mutagenic samples of winter garlic. Vegetable crops of Russia. 2023;(3):24-30. (In Russ.)

Ч еснок является одним из полезнейших для здоровья человека продуктом с большим набором целебных свойств, поэтому сортовой набор в реестре селекционных достижений России ежегодно пополняет- ся. Однако из-за разнообразия климатических условий территории России они не могут удовлетворить аридный климат Крыма. Сегодня производству срочно требуется набор 4–5 сортов [1], а посадочный материал следует обновлять чеснока раз в 3-5 лет [2]. Поскольку в России на промышленной основе чеснок выращивается в малых объемах (основное производство сосредоточено в хозяйствах населения), доля импорта на товарном рынке чеснока оценена в 90–98 %. Нестабильная урожайность (связанна с ошибочными методами отбора посадочного материала, вирусные заболевания – желтая мозаика Lys v, желтая карликовость Gys v, стрик Oys v и множество поливирусов) – факторы, влияющие на результат выхода продукции [3,4]. Размножение чесно- ка через воздушную луковичку с использованием химического мутагенеза это один из путей улучшения сорта и оздоровления посадочного материала.

В процессе размножения чеснока происходит отбор в сторону вегетативного развития и продуктивных форм. Некоторые авторы считают, что промышленная система коммерческого использования ограничивает отбор вида, использования существующей генетической изменчивости индуцированных мутаций, т.е. способа получения новых форм [5]. Применение мутагенов определяет оценку биологических эффектов, влияющих на конкретную клетку или ткань, и зависит от типа мутагена, дозы обработки, что важно для роста и развития растения [6,7]. Однако литературные источники в решении селекционных задач методом химического мутагенеза не раскрывают полноту исследований, это и является новизной в решении проблемы.

Преодолеть тенденцию распространенности малоурожайных популяций чеснока можно при ведении целенаправленной селекции. Стоит задача – изучить изменчивость признаков чеснока озимого с помощью сильных химических мутагенов ДЭС и ДМС, отобрать ценные формы по морфометрии с лучшими хозяйственно ценными признаками и химическим составом для использования в селекции. Значение характера наследуемости морфометрических и хозяйственно ценных признаков определяла степень ассоциации между фено- и генотипическими показателями (селекционными) [8]. Одни количественные признаки имеют низкую наследуемость, другие – относительно высокую [9]. Наследуемость по мнению Leuthoold, Бриггс и Ноулз это важнейший популяционно-генетический параметр отбора [10,11]. Поэтому коэффициент наследуемости, прежде всего дает представление о степени развития данного количественного признака (морфометрии) от условий среды и влияния доз мутагенов. Здесь генетико-математический метод играет важную роль в определении наследуемости признаков [12].

Цель исследований - оценка морфометрических изменений Allium sativum L. от воздействия химических мутагенов ДЭС и ДМС, и отбор видимых мутационно-измененных форм с ценными хозяйственными признаками для использования в селекции, создания новых сортов, адаптированных в Крыму.

Материалы и методы

В Институте биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН воздушные луковички стрелкующегося чеснока местной популяции (с. Укромное, Республика Крым) в экспозиции 16 часов были обработаны химическими мутагенами первой группы – ДЭС (диэтилсульфат) 0,025%, 0,05 и 0,1%, а также ДМС (диметилсульфат) 0,02%, 0,04 и 0,08% [13], Эти мутагены легко вступают в реакцию с белковыми молекулами, что проявляет наибольшее количество видимых фенотипических изменений,полученных именно под действием ДМС и ДЭС, что подтверждают и другие исследователи [14, 15]. В контроле группа луковичек в течение 16 часов замачивалась в воде.

Высев обработанных воздушных луковичек в открытый грунт был проведен на опытном участке отдела селекции и семеноводства овощных и бахчевых культур ФГБУН «НИИСХ Крыма» (с. Укромное, Симферопольский р-н) в 1-й декаде ноября 2015 года по схеме 40+25х8 см, т. е. из расчета 384,6 тыс. шт./га. В каждом варианте высевались по 100 воздушных луковичек. Всего в опыте высеяно 700 шт. (при массе 1000 шт. = 35 г) по всем вариантам. Почва представлена южным карбонатным тяжелосуглинистым чернозёмом, механический состав – глинистый, структура комковатая. Наблюдения и отбор измененных форм проводили в течение всего периода вегетации: всходы, листооб-разование, формирование луковицы, образование цветоносов, уборочная спелость. Анализировали растения по комплексу признаков: высота; количество листьев, их длина и ширина; диаметр и высота ложного стебля; диаметр и масса луковицы; количество зубков и их масса; окраска внешних чешуй луковицы и кожистых чешуй зубков. Биохимический состав определяли по показателям: сухое вещество, сумма сахаров, витамин С и накопление эфирных масел.

В последующие годы продолжалась оценка мутантов, где зубки высаживались по рядовой схеме через 50 см в открытый грунт. В технологии выращивания мутантов чеснока важную роль играли факторы среды – сложение микроклимата, которые оказывали влияние на морфометрические показатели.

Осенне-зимний период 2018–2021 годов от посадки зубков мутантов чеснока озимого М2 (второго) – М5 (пятого) поколений со второй декады ноября до 2-3 декады января укоренение зубков складывалось при положительной температуре воздуха от 2,8 до 6,1°С. Несмотря на кратковременное понижение минимальной температуры воздуха от -0,9 ... до -20,1°С и на поверхности почвы от -0,8 до -22,3°С, и колебаний максимальной температуры воздуха от 6,5 до 28,0°С, и на поверхности почвы от 3,4 до 17,0°С при выпадении осадков от 39 до 56 мм это не препятствовало укоренению и всходам чеснока. В период интенсивного нарастания листьев с февраля по апрель при средней температуре воздуха от 1,0 до 9,7 °С отмечено снижение min и повышение max температур от -8,6 до -1,9 °С и от 11,9 до 26,4 °С при выпадении осадков от 1,3 мм (в апреле 2019 года) до 80,5 мм (в марте 2020 года).

В период формирования луковиц с 1–2-й декады мая по 3 декаду июня и 1 декаду июля средняя температура воздуха колебалась от 14,4 до 24,3°С при колебаниях min и max температур соответственно от 3,9 до 15,1°С и от 21,9 до 37,2°С. Значительные увеличения min и max температур отмечены на почве – от 1,5–3,5°С и 4,9–18,4°С при наличии осадков от 17,5 до 208,5 мм (в 2021 году). По исследованиям Жученко А.А. [16], сорта (в нашем случае мутанты), также отличались по реакции на температурные условия среды. Здесь в основу положена аксиома влияния количественного признака морфометрии и генетически средовых фонов мутагенов.

Растения анализировали в поколениях в 3-х повторностях. Количественный учёт мутаций учитывался способами: 1) отношением морфометрических показателей к контролю; 2) определением коэффициента изменчивости показателей морфометрии к контролю; 3) определением коэффициента корреляции – «длина листа – диаметр луковицы», «длина листа – масса луковицы». Проявления признаков увеличения и низкосредней изменчивости признаков морфометрии отмечали со 2 поколения размножения зубками. За вторую генерацию размножения чеснока принимали метод получения посадочного материала через воздушную луковичку. Оценку признаков корреляции морфометрии чеснока сравнивали в различных поколениях и со второй генерацией. При определении наследуемости признаков использовали «Методику полевого опыта» [17]. Статистическую обработку результатов опыта проводили с использованием пакета Microsoft Office Excel 2010.

Результаты исследований и обсуждение

Оценка характера наследуемости морфометрических признаков и комбинационной способности мутагенных форм является предпосылкой для рационального отбора и прогнозирования эффективности селекции. Коэффициент наследуемости (h2) является важнейшим генетическим параметром. При составлении h2

различных количественных признаков в отдельных дозировках мутагенов имелась ввиду двойственность этого коэффициента. С одной стороны, в основу положена аксиома о совместном влиянии на развитие морфометрического признака генетических и средовых факторов – химических мутагенов первой группы, способных переносить алкидные соединения в другие растительные клетки и условий среды. Поэтому этот коэффициент, прежде всего дает представление о степени зависимости данного количественного признака от химических мутагенов и условий среды.

За 2018–2021 гг. контроль чеснока озимого без обработки мутагенами показал сильную наследуемость в потомстве в 5 поколениях по 7 признакам морфометрии (h2 от 0,81 до 0,99) и среднюю (h2 от 0,37 до 0,68) по 3-м признакам – по количеству зубков в луковице и урожайности, и длине листьев. Обработка в 3-х концентрациях воздушных луковичек мутагенах ДЭС также показала сильную наследуемость признаков в 5-ти поколениях: по высоте растений, длине листьев, высоте ложного стебля, диаметру луковиц и массе луковиц (h2=0,74–0,99) и в двух концентрациях – по количеству и ширине листьев, диаметру ложного стебля и урожайности (h2=0,78–0,97) (табл. 1).

Обработка воздушных луковиц в 3-х концентрациях мутагеном ДМС показала сильную наследуемость признаков также в 5-ти поколениях: по высоте растений, ширине листьев, высоте ложного стебля и его диаметру, диаметру и массе луковиц и урожайности; в 2-х концентрациях отмечена сильная наследуемость – количество листьев и их длина. Следует отметить, по количеству зубков отмечена средняя наследуемость в контроле по препаратам ДЭС 0,05% и ДМС 0,08% (h2=0,43 и 0,45).

Ежегодно оценивались морфометрические показатели растений. По сравнению с контролем высота

Таблица 1. Наследуемость признаков чеснока от мутагенов и факторов среды, h2 за 2018–2021 годы Table 1. Heritability of garlic traits from mutagens and environmental factors, h2 for 2018-2021

Химические мутагены

Показатели (см, шт.)	Контроль без обработки	Препарат ДЭС, %			Препарат ДМС, %
		0,025	0,05	0,1	0,02	0,04	0,08
Высота растений, см	0,98	0,99	0,99	0,99	0,99	0,99	0,99
Количество листьев, шт.	0,81	0,31	0,79	0,84	0,87	0,82	-0,21
Листья длина, см	0,84	0,74	0,98	0,88	0,88	0,90	-0,05
Листья ширина, см	0,61	0,97	0,78	0,63	0,75	0,77	0,77
Высота ложного стебля, см	0,83	0,94	0,99	0,93	0,95	0,89	0,86
Диаметр ложного стебля, см	0,86	0,84	0,88	0,39	0,94	0,87	0,94
Диаметр луковиц, см	0,81	0,96	0,85	0,76	0,87	0,88	0,94
Масса луковицы, г	0,99	0,99	0,96	0,98	0,87	0,95	0,97
Количество зубков в луковице, шт.	0,37	-0,15	0,43	0,12	0,02	-0,21	0,45
Урожайность, кг/м2	0,68	0,29	0,89	0,95	0,74	0,77	0,86

Таблица 2. Диаметр и масса луковиц чеснока (в 1-м-4-м поколении) Table 2. Diameter and weight of garlic bulbs (in the 1st-4th generation)

№ мутанта и концентрация мутагена Диаметр луковиц и их изменчивость (V, %) Масса луковиц и их изменчивость (V, %) см ± к st, см V, % ± к st, % г ± к st, г V,% ± к st, % 1 – Контроль (без обработки) 6,6 0,0 8,6 0,0 100,5 0,0 6,0 0,0 2 – 0,025% ДЭС 6,8 +0,2 8,0 -0,6 100,0 -0,5 3,6 -2,4 3 – 0,05% ДЭС 7,2 +0,6 8,4 -0,2 106,6 +6,1 4,6 -1,4 4 – 0,1% ДЭС 6,6 0,0 5,4 - 3,2 85,5 -15,0 5,0 -1,0 5 – 0,02% ДМС 7,2 +0,6 7,1 -1,5 104,0 +3,5 3,6 -2,4 6 – 0,04% ДМС 6,6 0,0 4,2 -4,4 90,8 -9,7 5,3 -0,7 7 – 0,08% ДМС 7,2 +0,6 6,1 -2,5 105,2 +4,7 7,2 +1,2 x̅±Sx̅ 6,6 ±0,3 6 98,9 ±0,4 V,% 6,8 5,0 мутантов увеличивалась с возрастанием концентрации обоих мутагенов по препаратам; 0,05% ДЭС на 7,0 см и 0,02–0,08% ДМС на 5–7 см. Результаты статистической обработки подтверждают достоверность средней совокупности высоты данной группы мутантов находясь в интервале 73,2–75,2 см, где концентрации 0,05% ДЭС и 0,04–0,08% ДМС оказались более влиятельными, так как превысили среднюю по варианту (x̅=71,0) на 1,2–4,2 см. Остальные имели более низкие значения. Ошибка средней (Sx̅=2,7%) и вариабельность были незначительными (V=5,4%). Установлена сильная обратная корреляционная связь – «высота растений – урожайность» при r=-0,9…-1,0 по образцам №3, 5 и 6, против контроля r=-0,5.

Количество листьев, их расположение зависели от высоты растения. Обработка воздушных луковичек различными мутагенами оказала влияние на количество листьев и их параметр.Средние и высокие дозировки мутагенов – 0,05-0,1% ДЭС и 0,04–0,08% ДМС увеличивали количество листьев 0,4–0,8 шт. на растениях по сравнению с контролем и средним значением вариантов (x̅=8,8). Абсолютная ошибка средней равна Sx̅=0,4 % при незначительной вариабельности признака (V=9,6 %±1,7).

В селекции чеснока важны признаки: высота и диаметр ложного стебля. Концентрации препаратов 0,05% ДЭС и 0,04% ДМС до 9,4% увеличивали высоту и диаметр ложного стебля до 0,7 см, что положительно сказалось на урожайности чеснока. С увеличением концентрации препарата ДМС до 0,04% на 0,9–1,1 см увеличивалась высота ложного стебля по отношению к контролю и совокупной средней вариантов x̅=11,9 см, при абсолютной ошибке средней Sx̅±0,4 и незначительной изменчивости показателя (V 5,5%).

Рис. Мутагенные образцы второго поколения чеснока озимого Fig. Mutagenic samples of the second generation of winter garlic

Таблица 3. Урожайность чеснока и её изменчивость, кг/м2 (в 3-4 поколениях) Table 3. Garlic yield and its variability, kg/m2 (in the 3rd-4th generation)

№ мутанта и концентрация мутагена	2019 год	2020 год	Среднее за 2019-2020 годы	Изменчивость (V, %)
1 – Контроль (без обработки)	1,3±0,1	1,8 ± 0,1	1,6±0,1	7,9
2 – 0,025% ДЭС	1,5±0,0	1,7± 0,2	1,6±0,1	3,7
3 – 0,05% ДЭС	1,6±0,0	2,4± 0,2	2,0±0,1	7,2
4 – 0,1% ДЭС	1,1±0,0	1,8± 0,1	1,4±0,1	4,8
5 – 0,02% ДМС	1,5±0,1	2,2± 0,2	1,8±0,1	3,7
6 – 0,04% ДМС	1,6±0,0	2,0± 0,2	1,8±0,1	7,9
7 – 0,08% ДМС	1,4±0,0	1,6± 0,1	1,5±0,0	4,3
x̅±Sx̅	1,4±0,1	1,9± 0,2	1,7±0,1	5,6±1,7

Диаметр ложного стебля (л.с.) влияет на прочность стебля и скорость формирования луковицы. Так, в min и max концентрациях ДМС отмечено увеличение диаметра л.с. на 0,5–0,7 см по сравнению с контролем и средним совокупным показателем вариантов x̅=2,0 см при абсолютной ошибке средней Sx̅±0,1 и средней (V=11%); средняя изменчивость диаметра л.с. отмечена также при обработке другими концентрациями препарата ДЭС и в контроле. Установлены сильные корреляционные связи – «высота л.с. и диаметр л. с. – урожайность» при r = -1,0 по образцу № 3. Наиболее важными показателями продуктивности являются диаметр и масса луковиц чеснока (табл. 2).

Обработка воздушных луковиц чеснока мутагенами – 0,05% ДЭС, 0,02 и 0,08% ДМС на 9% увеличили диаметр луковиц, где их размер на 0,6 см превышал контроль и среднюю совокупную вариантов x̅=6,6 см при ошибке Sx̅±0,3 и незначительной изменчивости признака (V=6,8 %).

Величину урожайности определяла масса луковиц, наибольшую величину показали варианты 3, 5, 7 – 104–107 г препараты с концентрацией – 0,05% ДЭС и 0,02–0,08 ДМС при совокупной средней вариантов x̅=98,9 и абсолютной ошибке средней Sx̅±5,4 при незначительной вариабельности массы луковиц (V=5,0%). Итак, обработка воздушных луковиц мутагенами – 0,05% ДЭС и 0,02…0,04% ДМС не только увеличивала показатели по морфометрии мутантов – высоты растений, количества листьев, изменяла высоту и диаметр ложного стебля, но увеличивала урожайность на 12,5–25,0% в сравнении с контролем (рис., табл. 3).

Увеличение урожайности на 12,5–25,0% отмечено при обработке 0,05% ДЭС и 0,02...0,04% ДМС, которые превышали контроль и средние значения урожайности вариантов (1,7 кг/м2) в 1,1-1,2 раза. Коэффициенты вариации по урожайности находились в интервале 3,7–7,9% при незначительной средней изменчивости V%=5,6±1,7. Установлено, что сильные корреляционные связи r=0,83–0,97 - «длина листа – масса луковицы» отмечены у образцов №5 и 7, а также по «длине листа – диаметру луковицы» при r=0,7–0,99 в вариантах №2, 4 и 7. Остальные образцы отмечены при низких и средних значениях r=0,2–0,63. Последействие химических мутагенов в.2021 году отмечено при низкой и средней вариабельности признаков. По низкой изменчивости 1,6–9,4% выделилась высота растений (мутанты №3 и 6), количество листьев (5), высота ложного стебля (3), диаметр луковиц (6), а также по длине листьев и массе луковиц все мутанты №№ 3,5 и 6. Остальные признаки были в пределах средних значений 10,1–16,6% (табл. 4).

Действие мутагенов на морфометрические признаки чеснока также отслежено на второй генерации в 2021 году (выращивание одно зубок из воздушных луковичек), где параметры признаков были более четко выражены (табл. 5).

Отмечена низкая и средняя вариабельность признаков. Большинство мутантов по 7 признакам отра-

Таблица 4. Морфометрия чеснока при последействии мутагенов в 5-ом поколении, 2021 год Table 4. Morphometry of garlic in the aftereffect of mutagens in the 5th generation, 2021

№ мутанта, концентрация мутагена	Высота растений, см	Количество листьев, шт.	Длина листьев, см	Высота ложного стебля, см	Диаметр луковицы, см	Масса луковицы, г	Урожайность, кг/м2
1. Контроль (без обработки)	39,1±3,1	6,3±0,3	56,1±2,7	15,1±1,2	6,2±0,3	55,6±2,6	1,5±0,09
3. 0,05% ДЭС	47,3±1,8	7,0±0,6	52,3±0,3	18,3±0,2	6,6±0,0	68,4±1,5	3,4±0,3
5. 0,02% ДМС	40,7±3,1	6,3±0,3	58,7±0,9	13,9±1,2	6,1±0,2	68,7±1,2	2,0±0,05
6. 0,04% ДМС	44,7±2,4	6,0±0,6	57,7±1,7	16,8±1,1	6,0±0,3	60,0±1,9	1,7±0,09
x̅±Sx̅	42,8±2,6	6,4±0,4	56,2±1,4	16,1±0,9	6,2±0,2	63,1±5,1	2,1±0,1
V,%	11,2	10,9	7,3	10,7	9,2	5,1	9,9
НСР 05							0,34

Таблица 5. Последействие мутагенов при выращивании луковиц из воздушных луковичек чеснока озимого от второй генерации (2021 год) Table 5. Aftereffect of mutagens in the cultivation of bulbs from air bulbs of winter garlic from the second generation (2021)

№ мутанта, концентрация мутагена	R между значением признаков в 5-ом поколении и во 2-й генерации
	Высота растений, см	Количество листьев, шт.	Длина листьев, см	Высота ложного стебля, см	Диаметр луковицы, см	Масса луковицы, г	Урожайность, кг/м2
1. Контроль (без обработки)	45,1±1,6	6,7±0,3	62±2,3	13,8±0,2	6,7±0,4	55±1,2	1,7±0,1
3. 0,05% ДЭС	48,3±0,9	6,7±0,3	58,3±2,0	16,5±0,5	6,3±0,4	66,7±0,7	2,6±0,2
5. 0,02% ДМС	59,3±2,3	7,7±0,3	62,3±2,0	14,5±0,3	6,3±0,2	75,7±1,3	2,8±0,03
6. 0,04% ДМС	55,7±2,2	7,0±0,6	68,0±1,5	16,8±1,6	6,4±0,1	79,7±2,4	3,0±0,09
x̅±Sx̅	52,1±1,8	7,1±0,4	62,7±2	15,4±0,6	6,4±0,3	69,2±1,4	2,5±0,1
V,%	6,8	10,0	5,5	7,1	7,5	4,3	8,6
НСР 05							0,45

Таблица 6. Корреляция признаков чеснока при влиянии мутагенов, 2021 год Table 6. Correlation of garlic traits under the influence of mutagens, 2021

№ мутанта, концентрация мутагена R между значением признаков в 5-ом поколении и во 2-й генерации Высота растений Количество листьев Длина листьев Высота ложного стебля Диаметр луковицы Масса луковицы Урожайность 1. Контроль (без обработки) -0,42 0,99 0,98 -0,65 -0,60 -0,86 -0,95 3. 0,05% ДЭС -0,75 1,00 0,60 0,94 0,99 -0,85 0,75 5. 0,02% ДМС 0,89 0,87 -0,53 -0,99 -0,97 0,60 0,56 6. 0,04% ДМС -0,71 0,50 -0,50 0,84 -0,89 0,42 0,76 жали низкую изменчивость 5,5–10,0 и только 4 мутанта показали среднюю изменчивость 11,4–16,4 №6 по высоте растений и ложному стеблю и №3 по диаметру луковиц и урожайности. Определение признаков корреляции между их значением в 5-ом поколении и во 2-й генерации показало сильные прямые и средние связи (табл. 6).

Так, по мутанту 3 из 7 показателей морфометрии 6 значений относились к сильной и прямой связи от -0,75…-0,85 до 1, где признак корреляции длины листьев отмечен в среднем значении r=0.6. По мутанту 5 значение 4-х корреляций – высоты растений и ложного стебля, количества листьев и диаметра луковиц были сильными (0,87…-0,99 ), где остальные связи это длина листьев, масса луковиц и урожайность относились к средним значениям r= -0,53-0,60. Мутант 6 также показал стабильные связи по 4-м признакам: это высота растений и ложного стебля, диаметр луковиц и урожайность: - 0,71–0,86…-0,89 , остальные показатели были в средних значениях r= 0,42–0,50. Контроль также показал сильные связи по 4-м признакам это количество листьев и их длина, масса луковиц и урожайность. Оценка биохимического состава продукции при использовании мутагенов являлась важным показателем в селекции чеснока озимого. Так, по сравнению с контролем в 3-4-ом поколениях отмечено > сухого вещества концентрации ДЭС и ДМС до max на 4,1-9,3%. Здесь различные концентрации мутагенов не оказали существенного влияния на > витамина С в продукции. В 5-ом поколении подобная тенденция сохранялась только по препарату 0,05% ДЭС. Очевидно большее количество осадков в 5-ом поколении (май – 1 декада июля до 198 мм) и увеличение температуры воздуха более 36°С увеличивало содержание эфирных масел и уменьшало содержание сухого вещества в продукции.

Заключение

Aboutthe Authors:

VictorI. Nemtinov – Doc. Sci. (Agriculture),

Chief Researcher, https //orcid. 0000-0002-2020-200X,