Селекционные и физико-химические характеристики у инбредных линий и высокопродуктивных гибридов кукурузы с эффективными фотосинтетическими функциями

С 1950-х годов до настоящего времени в селекции кукурузы и получении качественных семян, в том числе гибридных, достигнуты огромные успехи (1-5). В последние 60 лет выведено свыше 1300 гибридов кукурузы для использования на зерно и силос. Созданы современные техникотехнологические условия для селекции и семеноводства этой культуры (16). Благодаря реализации программы, названной «густота посевов», значительно увеличилось число растений на единице площади, что привело к повышению урожаев гибридных семян и товарной кукурузы (4, 5, 7-10). Почти одновременно с этим была принята программа по созданию инбредных линий кукурузы с вертикально стоящими верхними листьями (6, 8, 9-11). Масштабная реализация указанных взаимодополняющих программ позволила достигнуть весьма значимых результатов как в селекции, так и в производстве гибридных семян кукурузы (1-6). Многочисленные полученные гибриды разного целевого назначения выращиваются на огромных площадях как высокоурожайные и обладающие высоким качеством зеленой массы и зерна. Согласно нашей гипотезе, инбредные линии с вертикально стоящими листьями более всего соответствуют оптимальной модели растения кукурузы (6, 10-12).

В предыдущих исследованиях не удалось установить, связана ли урожайность гибридных семян у форм кукурузы, полученных методами се- лекции, с модификацией фотосинтетических процессов. Такое положение, вероятно, было следствием того, что изменения в структуре хлоропластов и тилакоидных мембран, а также в кинетике происходящих в этих структурах процессов, влияющие на их функциональную активность, происходят под воздействием различных факторов внешней среды и между ними существуют множественные корреляционные связи (7-8, 13-15).

В настоящее время ведутся интенсивные исследования биолюми-несцентных и флуоресцентных явлений в растительных системах (4-7, 1316). Установлена прямая зависимость между показателями замедленной флуоресценции (ЗФ) хлорофилла и интенсивностью фотосинтетических процессов в тилакоидных мембранах интактных листьев у кукурузы (6-14). Группа исследователей из Maize Research Institute «Zemun Polje» (Институт кукурузы «Земун Поле», г. Белград, Сербия) разработала неразрушающий флуоресцентный метод, применение которого позволяет функционально связать флуоресценцию тканей растения с интенсивностью процессов фотосинтеза, используя указанную биофизическую характеристику в качестве селекционного признака при отборе перспективных форм (8-14, 16). Улучшенный вариант такого метода измерения ЗФ хлорофилла подробно описан в наших работах (4-6, 8-12, 14).

Исследования в области биофизической химии также способствовали развитию подходов, позволяющих применить методы флуоресцентной спектроскопии при оценке кинетики биохимических процессов и динамики потери воды из зерна в период его созревания для характеристики процессов фотосинтеза и транспорта как в тилакоидной мембране, так и в различных структурах зерновки (10, 17, 18).

Наши предыдущие работы были посвящены изучению верхних листьев у гибридных линий кукурузы (6, 8, 10). Выдвинута гипотеза, что 1-й надпочаточный лист и все верхние листья вплоть до метелки осуществляют эффективный фотосинтез (10).

В настоящей работе мы попытались выяснить, существуют ли выявляемые с помощью физико-химических методов признаки, с которыми можно достоверно связать хозяйственно ценные качества инбредных линий и гибридов кукурузы, что может иметь важное значение для повышения эффективности селекционного процесса и при семеноводстве.

Методика . Испытывали четыре инбредные линии кукурузы с вертикально стоящими верхними листьями — ZPPL 16, ZPPL 218, ZPPL 62 и ZPPL 233, а также высокопродуктивные гибриды ZP 341, ZP 434, ZP 578 и ZP 684. Линии и гибриды получены в Институте кукурузы «Земун Поле» (г. Белград, Сербия); растения выращивали на опытном поле этого института. Все методы подробно описаны нами в предыдущих работах (8-12).

В первой серии экспериментов у инбредных линий величину угла между 1-м надпочаточным листом и стеблем растения определяли с помощью специально сконструированного угломера, площадь листовой поверхности — с использованием аппарата Portable area meter, модель LI-3000 («LI-COR Biosciences», США). Измерения (1998-2004 годы) проводили на 218 растениях для каждой инбредной линии в течение 3 лет.

Во второй серии опытов, применяя флуоресцентный метод, изучали структурные и функциональные изменения в тилакоидной мембране интактного надпочаточного листа у инбредных линий кукурузы в связи с фотосинтезом. Исследовали процессы ЗФ хлорофилла, измеряли критические температуры фазовых переходов, оценивали энергию активации. Для этого утром (с 700 до 800 часов) растения косо подрезали на уровне 1-го междоузлия, переносили в лабораторию и погружали в воду до 2-го междоузлия.

За 2 ч до измерения флуоресценции все растения помещали под черный стеклянный колокол. После этого высечку из интактного листа над початком переносили в камеру фосфороскопа, где она находилась в темноте в течение 15 мин, затем измеряли величину ЗФ хлорофилла. Испытания (1998-2004 годы) проводили на 268 растениях для каждой инбредной линии кукурузы.

В третьей серии экспериментов у инбредных линий исследовали содержание воды в зернах и динамику ее потери в период созревания. Использовали термический метод сушки до постоянной массы при температуре 105 ° C. Для измерений брали объединенный образец зерна с 5 початков. При этом выбирали растения, находящиеся в состоянии физиологической спелости, у которых в основании зерна появился черный слой. Содержание воды в зерне измеряли каждые 7 сут в течение 35 сут. Опыты проводили с 2000 по 2005 год из-за большой нестабильности этого свойства у инбредных линий кукурузы (10, 17).

Кроме того, в 2003-2008 годах оценивали урожайность у самых распространенных и высокопродуктивных гибридов ZP 341, ZP 434, ZP 578 и ZP 684, которые обладают свойствами, соответствующими эффективной модели фотосинтеза (в том числе имеют вертикально стоящие верхние листья), а также быстро теряют воду из зерна в период его созревания и удовлетворительно толерантны к повышенным и высоким температурам и засухе. Опыты проводили без орошения и с орошением при разной густоте стояния растений: G1 = 40816 (70x35 см), G2 = 50125 (70,0x28,5 см), G3 = 59523 (70x24 см), G4 = 69686 (70,0x20,5 см), G5 = 79365 (70x18 см), G6 = 89286 (70x16 см), G7 = 98522 (70,0x14,5 см) (18), где G - число растений на 1 га. Также определяли общепринятые показатели товарного качества зерна.

Статистическую оценку проводили с применением программных средств обработки данных.

Результаты . Очевидно, что дальнейший прогресс в создании форм и гибридов кукурузы связан с применением высокоэффективных методов массовой оценки основных селекционно значимых признаков и обусловливающих их физиологических и биохимических процессов. Мы попытались доказать, что инбредные линии и гибриды кукурузы с вертикально стоящими верхними листьями могут быть моделью эффективного фотосинтеза, а также функционально связать фотосинтез и флуоресценцию с другими селекционно значимыми признаками.

1. Величина угла между 1-м надпочаточным листом и стеблем и площадь поверхности 1-го надпочаточного листа у линий кукурузы с вертикально стоящими верхними листьями из разных групп спелости (среднее за 3 года, опытное поле Института кукурузы «Zemun Polje», г. Белград, Сербия)

	Группа спелости (по ФАО)		Угол между 1-м над-	Площадь листовой по-
Линия		Гетерозисное происхождение линии	початочным листом и стеблем, °	верхности 1-го надпочаточного листа, x10 3 см 2
			X I □	x       |       I

ZPPL 16	700	Земун Поле BSSS	18,3	1,12	3,63	328
ZPPL 218	650	Земун Поле Lankaster	22,1	1,36	3,91	412
ZPPL 62	350	Земун Поле BSSS	20,3	1,21	3,33	318
ZPPL 233	500	Земун Поле Lankaster	24,5	1,34	5,66	613

Инбредная линия кукурузы ZPPL 16 (рис. 1) получена из популяции BSSS и относится к группе спелости с ФАО 700. Зерно зубовидное, стержень розового цвета. Линия включена в создание свыше 20 гибридов кукурузы, в том числе ZP 578, ZP 677 и ZP 684. Линия ZPPL 218 при-80

надлежит к гетерозисной группе Lankaster и группе с ФАО 650. Зерно зубовидное, стержень красного цвета. Линия включена в создание более 10 гибридов кукурузы — ZP 684, ZP 606 и др. Инбредная линия ZPPL 62 получена из популяции BSSS, относится к группе спелости с ФАО 350. Зерно зубовидное, стержень красного цвета. На ее основе создано более 20 гибридов, среди которых ZP 260, ZP 341, ZP 360, ZP 434 и др. Линия ZPPL 233 относится к гетерозисной группе Lankaster и группе спелости с ФАО 500. Зерно полузубовидное/полукремнистое, стержень красного цвета. Использовалась при создании более 10 гибридов кукурузы, из которых самый распространенный ZP 578.

Рис. 1. Растения инбредных линий кукурузы с вертикально стоящими верхними листьями — ZPPL 16 (A) , ZPPL 218 (Б) , ZPPL 62 (B) и ZPPL 233 (Г) .

Оказалось, что изученные линии обладают качествами, соответствующими модели эффективного фотосинтеза, значительной толерантностью, пластичностью и адаптивностью биохимических и физиологических процессов к повышенным и высоким температурам и к засухе, характеризуются быстрой потерей воды из зерна в период его созревания. Они легко размножаются и имеют высокую урожайность, обладают хорошей комбинационной способностью как родительские пары (при их скрещивании проявляется значительный эффект гетерозиса по урожаю зерна). Иными словами, эти линии имеют важное значение для селекции и семеноводства.

Так, результаты измерений величины угла между 1-м надпочаточным листом и стеблем подтвердили, что изученные линии кукурузы относятся

к группе с вертикально стоящими верхними листьями (табл. 1).

Кривые, которые у изученных инбредных линий кукурузы характеризуют зависимость процессов ЗФ хлорофилла от температуры, оцененную с помощью эмпирического подхода (8-10), представлены на рисунке 2.

Рис. 2. Интенсивность замедленной флуоресценции хлорофилла (1зф) в тилакоидной мембране интактного 1-го надпочаточного листа у инбредных линий кукурузы с вертикально стоящими верхними листьями ZPPL 16 (A) , ZPPL 218 (Б) , ZPPL 62 (В) и ZPPL 233 (Г) в зависимости от температуры.

Рис. 3. Изменение натурального логарифма (ln) интенсивности замедленной флуоресценции хлорофилла (1зф) , характеризующее критические температуры структурных переходов (Т по Кельвину, К) в тилакоидной мембране интактного 1-го надпочаточного листа у инбредных линий кукурузы с вертикально стоящими верхними листьями ZPPL 16 (A) , ZPPL 218 (Б) , ZPPL 62 (В) и ZPPL 233 (Г) (критерий Аррениуса).

Критерий Аррениуса основан на методе линеаризации температур- ной зависимости ЗФ хлорофилла. С его помощью были установлены критические температуры фазовых переходов, при которых происходят структурные изменения в тилакоидной мембране (рис. 3). Величины критических температур, частота их появления и удаленность друг от друга на кривых характеризуют изученные инбредные линии кукурузы в отношении толерантности, устойчивости, пластичности и адаптивности к повышенным и высоким температурам, а также к засухе.

С ростом температуры происходят структурные изменения молекул хлорофилла в тилакоидной мембране, в результате чего они становятся реактивными и приобретают дополнительную энергию, которая используется при возникновении ЗФ хлорофилла (5-7, 10, 12-14). Результаты оценки энергии активации для критических температур в тилакоидной мембране у линий кукурузы с вертикально стоящими верхними листьями представлены в таблице 2.

2. Энергия активации (Эа, кДж/моль) хлорофилла в тилакоидной мембране интактного 1-го надпочаточного листа у инбредных линий кукурузы с вертикально стоящими верхними листьями для разных критических температур (t, ° С)

ZPPL 16		ZPPL 218		ZPPL 62		ZPPL 233
Эа       |	t	Эа       |	t	Эа       |	t	Эа       |	t
-	29,5	-	27,0	-	28,0	-	25
48,4	45,9	43,1	29,0	45,0	36,0	32,0	30
84,3	48,0	27,3	36,9	91,8	41,0	100,3	38
46,7	53,0	37,0	43,5	119,7	46,9	176,7	42
49,2	54,8	42,5	47,8	132,0	49,0	259,9	47
-	60,0	51,1	49,9	-	-	-	50

Примечание. Прочерки означают, что по определению начальные и конечные значения ЗФ (замедленная флуоресценция) хлорофилла не позволяют вычислять энергию активации Эа.

Потеря воды из зерна в период его созревания и состояние процессов транспорта воды — ценные свойства, которые имеют важное научное и экономическое значение как при изучении и создании линий кукурузы с вертикально стоящими верхними листьями, так и при организации производства гибридных семян (10, 17). Скорость потери воды из зерна обусловлена многими причинами: осмотическим давлением в зерне (его в значительной мере определяет внешнее атмосферное давление, учащенность и интенсивность воздушных струй, относительная влажность воздуха, структура химических соединений и природа химических связей воды с ними); структурой и толщиной перикарпия и его проницаемостью для воды; содержанием и структурой крахмальных зерен и белковых телец, их способностью связывать воду; морфологическими свойствами початка; другими физико-химическими параметрами структур зерновки, которые взаимодействуют с водой. Результаты наших исследований по содержанию воды в зерне у инбредных линий кукурузы приведены в таблице 3.

3. Содержание воды в зерне и ее потеря в период созревания у инбредных линий кукурузы с вертикально стоящими верхними листьями ( X ± х , 5-летние наблюдения, опытное поле Института кукурузы «Zemun Polje», г. Белград, Сербия)

Линия	Содержание воды, %						Суточная потеря воды, %
	исходный показатель	7 сут	14 сут	21 сут	28 сут	35 сут

ZPPL 16       31,40±3,22  28,11±3,11  24,82±3,22  21,53±2,98  18,24±2,81  14,95±2,41    0,47±0,06

ZPPL 218      29,44±3,06  26,29±2,91  23,14±2,77  19,99±2,51  16,84±2,31  14,30±1,76   0,45±0,08

ZPPL 62       28,09±3,28  23,29±3,09  25,29±3,09  19,69±2,56  16,89±2,04  14,09±1,94   0,40±0,07

ZPPL 233      27,44±3,80  29,36±3,51  21,28±3,33  18,30±3,07  15,12±2,81  12,04±2,24   0,44±0,09

Гибриды кукурузы с вертикально стоящими верхними листьями —

ZP 341, ZP 434, ZP 578 и ZP 684 давали высокий и стабильный урожай как при орошении, так и в естественных условиях (табл. 4). Гибриды хорошо развивались в достаточно густых посевах (до 70 тыс. растений на 1 га). При большей густоте урожайность значительно снижалась (10).

Полученные результаты указывают на высокий генетический потенциал урожайности у изученных гибридов. Интересно, что между гибридами не выявлено заметной разницы. В условиях орошения все они были более урожайными, чем без орошения. В засушливом 2007 году урожайность оказалась самой низкой (10).

• 4.    Урожайность зерна (т/га) у гибридов кукурузы с вертикально стоящими верхними листьями из разных групп спелости по ФАО, выращенных в разных условиях, в зависимости от густоты посева (опытное поле Института кукурузы «Zemun Polje», г. Белград, Сербия, 2003-2008 годы)

• 5.    Физические показатели товарного качества зерна у гибридов кукурузы с вертикально стоящими верхними листьями (опытное поле Института кукурузы «Zemun Polje», г. Белград, Сербия, 2003-2008 годы)

• 6.    Химический состав зерна у гибридов кукурузы с вертикально стоящими верхними листьями (опытное поле Института кукурузы «Zemun Polje», г. Белград, Сербия, 2003-2008 годы)

  Гибрид	Крахмал, %	Белки, %	Жиры, %	Клетчатка, %	Зола, %
  ZP 341	69,00	9,33	5,75	1,98	1,33
  ZP 434	69,02	9,42	5,87	1,99	1,37
  ZP 578	72,99	8,64	5,08	1,82	1,33
  ZP 684	70,52	8,84	4,82	2,06	1,37

Густота посева | ZP 341 (FAO 300) | ZP 434 (FAO 400) | ZP 578 (FAO 500) | ZP 684 (FAO 600)

		Б е з о р о ш е н и я
G1	9,28	10,14	9,82	10,79
G2	11,04	11,08	10,68	12,08
G3	11,53	11,44	11,53	12,82
G4	12,45	12,37	11,92	13,05
G5	12,12	12,26	11,99	13,25
G6	12,32	11,26	12,56	12,50
G7	11,83	11,63	11,85	12,20
x	11,51	11,45	11,48	12,38
	В	у с л о в и я х о р о ш е н и я
G1	10,02	10,90	11,32	11,16
G2	12,01	11,95	12,67	12,96
G3	12,73	12,04	13,10	13,80
G4	13,48	13,17	14,18	13,49
G5	13,55	13,89	15,00	13,84
G6	13,48	13,61	14,90	13,86
G7	13,34	13,36	14,67	14,00
x	12,66	12,70	13,69	13,30
П р и м е ч а н и е.	Значения G1-G7	см. в разделе «Методика».

Изучение физических характеристик и химического состава зерна у гибридов кукурузы с вертикально стоящими верхними листьями подтвердило, что оно обладает превосходными товарными качествами (табл. 5, 6).

Гибрид AM | HM 1 G | IF | OM 1 TF | MF | IAV ZP 341 331,37 783,757 1,25 33,72 19,87       57,30 42,70 0,231 ZP 434 355,08 780,282 1,26 22,34 16,57       58,78 41,22 0,225 ZP 578 304,76 751,262 1,27 3,02 16,86      61,85 38,15 0,242 ZP 684 344,81 772,307 1,26 18,92 13,73      54,54 45,46 0,246 П р и м е ч а н и е. AM — абсолютная масса, кг; HM — - гектолитровая масса, кг • м-3; G - - плотность, г • см-3; IF — индекс флотации, %; OM — сопротивление помолу, с; TF — доля твердой фракции эндос- перма, %; MF — доля мягкой фракции эндосперма, %; IAV — индекс абсорбции воды.

Таким образом, при использовании разработанного нами неинвазивного метода оценки флуоресценции растительных тканей выявлены биофизические характеристики, позволяющие оценить эффективность фотосинтетического аппарата, и показано, что его высокая активность и пла-84

стичность в условиях повышенных и высоких температур характерна для инбредных линий кукурузы с вертикальным расположением верхних листьев. Кроме того, оказалось, что растения с указанной морфологией способны быстро терять воду из зерна при созревании. У гибридов, полученных с участием подобных инбредных линий, вертикальное расположение листьев наследуется по доминантному типу. Эти гибриды кукурузы высокоурожайны, их зерно обладает превосходными товарными качествами. Следовательно, инбредные линии кукурузы с вертикальным расположением верхних листьев имеют важное значение для селекции (как родительские формы), а также при производстве гибридных семян. Возможность массово оценивать с помощью неинвазивного биофизического метода такие селекционно значимые признаки, как активность фотосинтеза, позволяет более точно, рационально и быстро осуществлять селекцию, а также облегчает производство гибридных семян у кукурузы.

Л И Т Е Р А Т У Р А

• 1.    Du vic k D.N. Genetic contribution to yield gains of U.S. hybrid maize, 1930-1980. In: Genetic contributions to yield gains of five major crop plants /W.R. Fehr (ed.). Spec. Publ., CSSA and ASA, Medison, WI 7, 1984: 15-47.

• 2.    Trifunovi с V. Forty years of modern maize breeding in Yugoslavia. Proc. Genetics and Breeding of Maize (December 11-12, 1986). Maize Research Institute, Zemun Polje, Belgrade, Yugoslavia, 1986: 5-46.

• 3.    I v a n o v i с M., P e t r o v i с R., D r i n i с G. et al. Fifty years of ZP hybrids breeding. Proc. Breeding, Production and Maize Utilization. 50 Years of Maize Research Institute «Zemun Polje» (September 28-29, 1995). Maize Research Institute, Zemun Polje, Belgrade, Yugoslavia, 1995: 3-16.

• 4.    Radenovi с C ., S atar I., Husi с I., Mi s ovi с M.M., Filipovi с M., Koji с L. A study of functioning of thylakoid membranes in inbred lines of maize ( Zea mays L.). Genetika, 2000, 32(3): 377-386.

• 5.    Radenovi с C ., Babi с M., Deli с N., Rista n o v i с D. Effects of changes in thylakoid membranes — a measure for evaluations of resistance and adaptability of maize inbred lines to high temperature. Proc. Nat. Sci. Matica Srpska (Novi Sad), 2003, 101: 59-69.

• 6.    Radenovi с C ., Konstantinov K., Deli с N., Stankovi с G. Photosynthe and bioluminiscence properties of maize inbred lines with upright leaves. Maydica, 2007, 52: 347-356.

• 7.    Radenovi с C . A study of delayed fluorescence in plant models: photosynthetic, transportation and membrane processes. J. Serb. Chem. Soc., 1994, 59(9): 595-617.

• 8.    Radenovi с C ., Babi с M., Deli с N., Hojka Z., Stankovi с G., Trifunovi с B., Ristanovi с D., Selakovi с D. Photosznthetic properties of erect leaf maize inbred lines as the efficient photo-model in breeding and seed production. Genetica, 2003, 35(2): 85-97.

• 9.    Раденович Ч., Бабич M., Хойка 3., Станкович Г., Трифунович Б., Ристанович Д., Делич Н., Селакович Д. Характеристика инбредных линий кукурузы с вертикально стоящими листьями для эффективного использования в селекции. Доклады Россельхозакадемии, 2004, 2: 7-9.

• 10.    Radenovi с C ., Grodzinskij D., Filipovi с M. et al The prestigious maize inbred lines and hybrids with erect top leaves are characterised by a property of anefficient photosynthetic model and a satisfatory base for the further progress in breeding and selection. Fiziologia i biohimia kult. rastenij, 2010, 42(3): 187-201.

• 11.    Раденович Ч., Шатарич И., Иванович M., Койич Л. Биолюминесцентный отзыв инбредных линий кукурузы ( Zea mays L.) на температуру и засуху. Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук, 2001, 4: 13-16.

• 12.    Radenovi с C ., Jeremi с M., Markovi с D. Delayed chlorophyll fluorescence in plant models. Photosynthetica, 1994, 30: 1-24.

• 13.    Radenovi с C ., Kalauzi A., Konstantinov R., Dr ini с G. Dynamics of generating transients of delayed fluorescence induction signal and photosinthetic antennas: a possible relationship. Mathematical modeling approach. Proc. Nat. Sci. Matica Srpska (Novi Sad), 2007, 112: 5-26.

• 14.    Kalauzi A., Markovi с D., Radenovi с C . Transients of delayed fluorescence induction signal and photosynthetic antennas: a possible relationship. Mathematical modeling approach. Russian Journal of Plant Physiology, 2006, 53(3): 289-297.

• 15.    Ra de novi с C . Investigation of photoinduced bioluminescence in maize leaf. Contemp. Agric., 1992, 40(6): 15-38.

• 16.    Раденович Ч., Бабич M., Делич Н., Шатарич И., Коич Л. Новый фото-синтетическо-биолюминесцентный метод в селекции кукурузы. Кукуруза и сорго, 2002, 4: 21-24.

• 17.    Radenovi с C . Transportni procesi kroz membranu. Savremena biofizika (Beograd), 1998, 5: 1-90.

• 18.    Rubin A.B., Focht A.A., Venediktov P.S. Some kinetic properties of electrontransfer processes on the primary photosintesis reaction. Transaction of the Moscow Society of Naturalists, 1998, 28: 172-184.

• ¹Institut za kukuruz «Zemun Polje»,                           Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ

  11185 Beograd-Zemun, ul. S. Baji c a 1, Srbija ;                                29 февраля 2012 года

  • ²Fakultet za fizicku hemiju, Univerzitet u Beogradu, 11000 Beograd, Studentski trg 16, Srbija, e-mail: radenovic@sbb.rs

BREEDING, PHYSICAL AND CHEMICAL FEATURES OF MAIZE INBRED LINES AND HYBRIDS WITH SIGNIFICANT BREEDING TRAITS AND EFFICIENT PHOTOSYNTHETIC FUNCTIONS

C. Radenovic1’ 2, M. Filipovic1, M. Babic 1, V. Andelkovic1,

G. Stankovic1, M. Secanski1, Z. Jovanovic1