Создание сорта мягкой яровой пшеницы Гренада с помощью инновационных технологий селекции на основе теории эколого-генетической организации количественных признаков

Создание сорта мягкой яровой пшеницы Гренада с помощью инновационных технологий селекции на основе теории эколого-генетической организации количественных признаков

Автор: Новохатин В.В., Драгавцев В.А., Леонова Т.А., Шеломенцева Т.В.

Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology

Рубрика: Зерновые культуры генетика и селекция

Статья в выпуске: 5 т.54, 2019 года.

Бесплатный доступ

Существующая в настоящее время вера в перспективность молекулярных подходов к решению проблемы повышения урожаев, по нашему мнению, избыточна, так как пока нет ни одного сорта, созданного исключительно молекулярными методами. Кроме того, представители эпигенетики справедливо утверждают, что в природе не существует специфических генов продуктивности и урожая, следовательно, невозможно их молекулярное маркирование или геномное редактирование. В этом сообщении мы представляем итоги применения инновационных селекционных технологий, вытекающих из приоритетной российской теории эколого-генетической организации количественных признаков (ТЭГОКП), которая была разработана в процессе выполнения Межведомственной программы ДИАС (изучение генетики признаков продуктивности яровых пшениц в Западной Сибири, 1973-1984 годы). Суть инноваций заключается в следующем: подбор родительских пар осуществляется особым способом на основе глубокого анализа максимально протяженных родословных древ сортов-родителей, взятых в скрещивания; для группы самых урожайных сортов коллекционного питомника выполняется фенотипирование (phenotyping) по семи генетико-физиологическим системам (ГФС), открытым и описанным в процессе развития ТЭГОКП и дающим плюсовые или минусовые вклады в урожай; отбираются генотипы, имеющие хотя бы одну ГФС с максимальным плюсовым вкладом в урожай, и выполняются их скрещивания для совмещения в будущем сорте плюсовых вкладов всех семи ГФС; производятся стабилизирующие пересевы расщепляющихся поколений для устранения эффектов доминирования, сверхдоминирования и гетерозиготного эпистаза (с несколькими насыщениями геномом одного из родителей, имеющего наиболее ценные свойства); после ряда стабилизирующих пересевов гибридной популяции в условиях типичной динамики лим-факторов среды (в годы, типичные по погодным условиям для зоны селекции) отбираются элитные растения. Применив эти новые технологии (2001-2014 годы), мы получили гибридную комбинацию F1 (сорта Казахстанская раннеспелая × Тулунская 12) с 1-кратным последующим насыщением сортом Тулунская 12, из которой выделился сорт Гренада. При этом родители материнской формы гибрида - сорта Казахстанская раннеспелая (Новосибирская 67 × Омская 9), имеющие широкую амплитуду общей адаптивности, показали при смене лим-факторов среды гораздо меньшую степень переопределения вкладов разных ГФС в продуктивность и хорошую комбинационную способность. Созданный на их основе сорт Казахстанская раннеспелая сочетает в себе лучшие проявления признаков родительских сортов. У отцовской и насыщающей формы Тулунская 12 улучшение количественных признаков носит дискретно-накопительный характер за счет генетического многообразия восточно-сибирских генотипов. Отбор элитных растений в типичных агроклиматических условиях дал генотипы более урожайные и имеющие хорошо выраженную пластичность урожаев. Комплексная оценка биотипов, отобранных из этой популяции в F5 по каждой из семи ГФС, вносящих положительный вклад в повышение продуктивности, показала эффективность выполненного нами фенотипирования, что хорошо проявилось у раннеспелой линии Лютесценс 506-11, ставшей впоследствии сортом Гренада. У сорта высокая продуктивность (превышение стандарта на 26-39 %) удачно сочетается с устойчивостью к полеганию, засухоустойчивостью, устойчивостью к предуборочному прорастанию зерна в колосе и качеством зерна (соответствует таковому ценных и сильных сортов). Отличительная особенность созданного сорта - горизонтальная устойчивость к септориозу, пыльной головне, мучнистой росе, красногрудой пьявице, внутристеблевым вредителям. Сорт Гренада много меньше стандарта поражается ржавчинными грибами. Сбор белка у сорта Гренада составляет 628 кг/га, что на 119 кг больше, чем у стандартного сорта. С 21 февраля 2019 года сорт Гренада районирован в России по 9-му (Уральскому) растениеводческому региону, включая Башкирию (около 1 млн га), Челябинскую (1 млн га), Оренбургскую (4 млн га), Курганскую (1 млн га) и Тюменскую (500 тыс. га) области. При выращивании сорта Гренада на этих площадях прибавки урожая должны давать ежегодный экономический эффект около 30 млрд руб.

Еще

Мягкая пшеница, селекция, сорт, популяция, отбор, биотип, генетико-физиологическая система, зерно, иммунитет

Короткий адрес: https://sciup.org/142226260

IDR: 142226260   |   DOI: 10.15389/agrobiology.2019.5.905rus

Список литературы Создание сорта мягкой яровой пшеницы Гренада с помощью инновационных технологий селекции на основе теории эколого-генетической организации количественных признаков

  • Loyola-Vargas V.M., Ochoa-Alejo N. An introduction to plant tissue culture: advances and perspectives. In: Plant cell culture protocols. Methods in molecular biology, Vol. 1815 /V. Loyola-Vargas, N. Ochoa-Alejo (eds.). Humana Press, New York, NY, 2018: 3-13 ( ). DOI: 10.1007/978-1-4939-8594-4_1
  • Bridgen M.P., Van Houtven W., Eeckhaut T. Plant tissue culture techniques for breeding. In: Ornamental crops. Handbook of plant breeding, Vol. 11 /J. Van Huylenbroeck (ed). Springer, Cham, 2018: 127-144 ( ). DOI: 10.1007/978-3-319-90698-0_6
  • Varshney R.K., Pandey M.K., Chitikineni A. Plant genetics and molecular biology: an introduction. In: Plant genetics and molecular biology. Advances in biochemical engineering/biotechnology, Vol. 164 /R. Varshney, M. Pandey, A. Chitikineni (eds.). Springer, Cham, 2018: 1-9 ( ). DOI: 10.1007/10_2017_45
  • Pérez-de-Castro A.M., Vilanova S., Cañizares J., Pascual L., Blanca J.M., Díez M.J., Prohens J., Picó B. Application of genomic tools in plant breeding. Curr. Genomics, 2012, 13(3): 179-195 ( ). DOI: 10.2174/138920212800543084
  • Ashkani S., Rafii M.Y., Shabanimofrad M., Miah G., Sahebi M., Azizi P., Tanweer F.A., Akhtar M.S., Nasehi A. Molecular breeding strategy and challenges towards improvement of blast disease resistance in rice crop. Front. Plant Sci., 2015, 6: Article 886 ( ). DOI: 10.3389/fpls.2015.00886
  • Prohens J. Plant breeding: a success story to be continued thanks to the advances in genomics. Front. Plant Sci., 2011, 2: Article 51 ( ).
  • DOI: 10.3389/fpls.2011.00051
  • Mammadov J., Aggarwal R., Buyyarapu R., Kumpatla S. SNP markers and their impact on plant breeding. Int. J. Plant Genomics, 2012, 2012: 728398 ( ).
  • DOI: 10.1155/2012/728398
  • Kim S.K., Nair R.M., Lee J., Lee S.-H. Genomic resources in mungbean for future breeding programs. Front. Plant Sci., 2015, 6: Article 626 ( ).
  • DOI: 10.3389/fpls.2015.00626
  • Jiang G.-L. Molecular markers and marker-assisted breeding in plants. In: Plant breeding from laboratories to fields /S.B. Andersen (ed.). IntechOpen, 2013: 45-83 ( ).
  • DOI: 10.5772/52583
  • Bhat J.A., Ali S., Salgotra R.K., Mir Z.A., Dutta S., Jadon V., Tyagi A., Mushtaq M., Jain N., Singh P.K., Singh G.P., Prabhu K.V. Genomic selection in the era of next generation sequencing for complex traits in plant breeding. Front. Genet., 2016, 7: 221 ( ).
  • DOI: 10.3389/fgene.2016.00221
  • Nadeem M.A., Nawaz M.A., Shahid M.Q., Doğan Y., Comertpay G., Yıldız M., Hatipoğlu R., Ahmad F., Alsaleh A., Labhane N., Özkan H., Chung G., Baloch F.S. DNA molecular markers in plant breeding: current status and recent advancements in genomic selection and genome editing. Biotechnology & Biotechnological Equipment, 2018, 32(2): 261-285 ( ).
  • DOI: 10.1080/13102818.2017.1400401
  • Kumari S., Jaiswal V., Mishra V.K., Paliwal R., Balyan H.S., Gupta P.K. QTL mapping for some grain traits in bread wheat (Triticum aestivum L.). Physiol. Mol. Biol. Plants, 2018, 24(5): 909-920 ( ).
  • DOI: 10.1007/s12298-018-0552-1
  • Lozada D.N., Mason R.E., Sukumaran S., Dreisigacker S. Validation of grain yield QTLs from soft winter wheat using a CIMMYT spring wheat panel. Crop Sci., 2018, 58: 1964-1971 ( ).
  • DOI: 10.2135/cropsci2018.04.0232
  • Nedelkou I.-P., Maurer A., Schubert A., Léon J., Pillen K. Exotic QTL improve grain quality in the tri-parental wheat population SW84. PLoS ONE, 2017, 12(7): e0179851 ( ).
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0179851
  • Guo Y., Du Z., Chen J., Zhang Z. QTL mapping of wheat plant architectural characteristics and their genetic relationship with seven QTLs conferring resistance to sheath blight. PLoS ONE, 2017, 12(4): e0174939 ( ).
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0174939
  • Gahlaut V., Jaiswal V., Tyagi B.S., Singh G., Sareen S., Balyan H.S., Gupta P.K. QTL mapping for nine drought-responsive agronomic traits in bread wheat under irrigated and rain-fed environments. PLoS ONE, 2017, 12(8): e0182857 ( ).
  • DOI: 10.1371/journal.pone.0182857
  • Imai A., Yoshioka T., Hayashi T. Quantitative trait locus (QTL) analysis of fruit-quality traits for mandarin breeding in Japan. Tree Genetics & Genomes, 2017, 13: 79 ( ).
  • DOI: 10.1007/s11295-017-1162-8
  • Hernández Mora J.R., Micheletti D., Bink M., Van de Weg E., Cantín C., Nazzicari N., Caprera A., Dettori M.T., Micali S., Banchi E., Campoy J.A., Dirlewanger E., Lambert P., Pascal T., Troggio M., Bassi D., Rossini L., Verde I., Quilot-Turion B., Laurens F., Arús P., Aranzana M.J. Integrated QTL detection for key breeding traits in multiple peach progenies. BMC Genomics, 2017, 18: 404 ( ).
  • DOI: 10.1186/s12864-017-3783-6
  • Tan Z., Zhang Z., Sun X., Li Q., Sun Y., Yang P., Wang W., Liu X., Chen C., Liu D., Teng Z., Guo K., Zhang J., Liu D., Zhang Z. Genetic map construction and fiber quality QTL mapping using the CottonSNP80K array in upland cotton. Front. Plant Sci., 2018, 9: Article 225 ( ).
  • DOI: 10.3389/fpls.2018.00225
  • Weinhold B. Epigenetics: the science of change. Environ. Health Perspect., 2006, 114(3): A160-A167 ( ).
  • DOI: 10.1289/ehp.114-a160
  • Chen M., Lv S., Meng Y. Epigenetic performers in plants. Develop. Growth Differ., 2010, 52: 555-566 ( ).
  • DOI: 10.1111/j.1440-169X.2010.01192.x
  • Gallusci P., Dai Z., Génard M., Gauffretau A., Leblanc-Fournier N., Richard-Molard C., Vile D., Brunel-Muguet S. Epigenetics for plant improvement: current knowledge and modeling avenues. Trends in Plant Science, 2017, 22(7): P610-623 ( ).
  • DOI: 10.1016/j.tplants.2017.04.009
  • Milomrica R.M., Dragan S.D., Desimir S.K., Fleksandar S.P., Snezana T.T. Combining abilities for spike traits in diallel cross of barley. J. Central Eur. Agric., 2014, 15(1): 198-116 ( ).
  • DOI: 10.5513/JCEA01/15.1.1419
  • Sing B., Sharma A., Joshi N., Mittal P., Singh S. Combining ability analysis for grain yield and its components in malt barley (Hordeum vulgare L.). Indian Journal of Agricultural Sciences, 2013, 83(1): 96-98.
  • Компанец Е.В., Козаченко М.Р., Васько А.Г., Наумов А.Г., Солонечный П.Н., Святченко С.И. Комбинационная способность сортов ячменя ярового в системе прямых диаллельных скрещиваний. Вавиловский журнал генетики и селекции, 2017, 21(5): 537-544 ( ).
  • DOI: 10.18699/VJ17.27
  • Драгавцев В.А., Цильке Р.А., Рейтер Б.Г., Воробьев В.А., Дубровская А.Г., Коробейников Н.И., Новохатин В.В., Максименко В.П., Бабакишиев А.Г., Илющенко В.Г., Калашник Н.А., Зуйков Ю.П., Федотов А.М. Генетика признаков продуктивности яровых пшениц в Западной Сибири /Под ред. Д.К. Беляева. Новосибирск, 1984.
  • Глазко В.И., Глазко Г.В. Толковый словарь терминов по общей и молекулярной биологии, общей и прикладной генетике, селекции, ДНК-технологии и биоинформатике. Т. 2. М., 2008: 308.
  • Драгавцев В.А., Литун П.П., Шкель Н.М., Нечипоренко Н.Н. Модель эколого-генетического контроля количественных признаков растений. Доклады АН СССР, 1984, 274(3): 720-723.
  • Драгавцев В.А. Уроки эволюции генетики растений. Биосфера, 2012, 4(3): 251-262.
  • Дьяков А.Б., Драгавцев В.А. Разнонаправленность сдвигов количественного признака индивидуального организма под влиянием генетических и средовых причин в двумерных системах признаковых координат. В кн.: Эколого-генетический скрининг генофонда и методы конструирования сортов сельскохозяйственных растений по урожайности, устойчивости и качеству. СПб, 1998: 23-47.
  • Кочерина Н.В., Драгавцев В.А. Введение в теорию эколого-генетической организации полигенных признаков растений и теорию селекционных индексов. СПб, 2008.
  • Börner A., Schumann E., Fürste A., Cöster H., Leithold B., Röder M., Weber W. Mapping of quantitative trait loci determining agronomic important characters in hexaploid wheat (Triticum aestivum L.). Theor. Appl. Genet., 2002, 105(6-7): 921-936 ( ).
  • DOI: 10.1007/s00122-002-0994-1
  • Драгавцев В.А., Драгавцева И.А., Ефимова И.Л., Моренец А.С., Савин И.Ю. Управление взаимодействием "генотип-среда" - важнейший рычаг повышения урожаев сельскохозяйственных растений. Труды Кубанского ГАУ, 2016, 2(59): 105-121.
  • Ushiyama T., Nakamura K., Anas А., Yoshida T. Pedigree analysis of early maturing wheat cultivars in Japan for breeding cultivars with higher performance. Plant Production Science, 2009, 12(1): 80-87 ( ).
  • DOI: 10.1626/pps.12.80
  • Witcombe J.R., Virk D.S. Methodologies for generating variability. Part 2: selection of parents and crossing strategies. In: Plant breeding and farmer participation /S. Ceccarelli, E.P. Guinarres, E. Weltizienm (eds.). Rome, 2009: 129-138.
  • Новохатин В.В. Эффективность различных методов отбора в селекции растений. Достижения науки и техники АПК, 2016, 3: 42-45.
  • Воронин А.Н., Стельмах А.Ф. Генетические эффекты локусов Vrn1-3 на скорость колошения мягких пшениц. Научно-технический бюллетень ВСГИ, 1985, 3: 25-30.
  • Стельмах А.Ф. Программа селекции пшеницы на скороспелость. Вестник сельскохозяйственной науки, 1987, 6: 47-53.
  • Писарев В.Е. Селекция зерновых культур. М., 1964.
  • Ведров Н.Г. Яровая пшеница в Восточной Сибири. Красноярск, 1998.
  • Jiang Z., Zhang B., Teng W., Han Y., Zhao X., Sun D., Zhang Z., Li W. Impact of epistasis and QTL ½ environmental interaction on the oil filling rate of soybean seed at different stages. Euphytica, 2011, 177(3): 431-442 ( ).
  • DOI: 10.1007/s10681-010-0290-0
  • Жученко А.А. Экологическая генетика культурных растений: адаптация, рекомбиногенез, агробиоценоз. Кишинев, 1980.
  • Гилл К.С. Карликовые пшеницы. М., 1984.
  • Кумаков В.А. Соотношение продуктивности и засухоустойчивости генотипов пшеницы. Тез. докл. IV Съезда общества физиологов растений России. Международная конференция "Физиология растений - наука 3-го тысячелетия" (Москва, 4-9 октября 1999 года). М., 1999, т. 1: 400.
  • Жученко А.А. Адаптивный потенциал культурных растений (экологические основы). Кишинев, 1988.
  • Guo R., Wu Q., Liu Y. Single-plant similarity-difference selection in wheat breeding. Advance Journal of Food Science and Technology, 2013, 5(11): 1413-1417 ( ).
  • DOI: 10.19026/ajfst.5.3358
  • Драгавцев В.А., Драгавцева И.А., Ефимова И.Л., Кузнецова А.П., Моренец А.С. К экспериментальному подтверждению гипотезы об эколого-генетической природе феномена "взаимодействие генотип-среда" у древесных растений. Сельскохозяйственная биология, 2018, 53(1): 151-156 ( ).
  • DOI: 10.15389/agrobiology.2018.1.151rus
  • Singh S., Dhindsa G.S., Sharma A., Singh P. Combining ability for grain yield and its components in barley (Hordeum vulgare L.). Crop Improvement, 2007, 34: 128-132.
  • Новохатин В.В., Шеломенцева Т.В. Рост урожайности яровой мягкой пшеницы в Северном Зауралье. Вестник Российской академии сельскохозяйственных наук, 2014, 4: 14-17.
  • Li W.-Q., Zhang Z.-B., Li J.-J. Plant epicuticular wax and drought resistance as well as its molecular biology. Zhi wu sheng li yu fen zi sheng wu xue xue bao = Journal of plant physiology and molecular biology, 2006, 32(5): 505-512 (Article in Chinese).
  • Сюков В.В., Захаров В.Г., Менибаев А.И. Экологическая селекция растений: типы и практика. Вавиловский журнал генетики и селекции, 2017, 21(5): 534-536 ( ).
  • DOI: 10.18699/VJ17.290
  • Borlaug N.E. Wheat breeding and its impact on world food supply. Proc. 3rd Int. Wheat Symp. Canberra-Australia. Canberra, 1968: 1-36.
  • Rajaram S., Borlaug N.E., van Ginkel M. CIMMIT international wheat breeding. In: FAO Plant Production and Protection Series. No. 30. Bread wheat - improvement and production /B.C. Curtis, S. Rajaram, H. Gómez Macpherson (eds.). FAO, Rome, 2002: 103-117.
  • Srinivasan C.S., Thirtle C., Palladino P. Winter wheat in England and Walles, 1923-1995: what do indicates of genetic diversity reveal? Plant Genetic Resources: Characterization and Utilization, 2003; 1(1): 43-57 ( ).
  • DOI: 10.1079/PGR20031
  • Жученко А.А., Король А.Б. Рекомбинация в эволюции и селекции. М., 1985.
  • Fujimura S., Shi P., Iwama K., Zhang X., Gopal J., Jitsuyama Y. Comparison of growth and grain yield of spring wheat in Lhasa, the Tibetan Plateau, with those in Sapporo, Japan. Plant Prod. Sci., 2009, 12(1): 116-123 ( ).
  • DOI: 10.1626/pps.12.116
  • Malik A.H., Prieto-Linde M.L., Kuktaite R., Andersson A., Johansson E. Individual and interactive effects of genetic background and environmental conditions on amount and size distribution of polymeric proteins in wheat grain. Czech J. Genet. Plant Breeding, 2011, 47(spec. Iss.): S186-S189 ( ).
  • DOI: 10.17221/3278-CJGPB
  • Haberle J., Holzapfel J., Hartl L. Die Genetik der Fusariumresistens in ropaischem Winterweizen. In: Abwehrstrategien gegen biotische Schaderreger, Zuchtung Hackfruchten und Sonderkulturen. Irdning, 2009: 5-8.
  • Kosova K., Chrpova J., Sip V. Cereal resistance to Fusarium head blight and possibilities of its improvement through breeding. Czech J. Genet. Plant Breeding, 2009, 45(3): 87-105 ( ).
  • DOI: 10.17221/63/2009-CJGPB
  • El-Hendawy S.E., Ruan Y., Hu Y., Schmidhalter U. A comparison of screen criteria for salt tolerance in wheat under field and controlled environmental conditions. Journal of Agronomy & Crop Science, 2009, 195(5): 356-367 ( ).
  • DOI: 10.1111/j.1439-037X.2009.00372
  • Новохатин В.В. Обоснование генетического потенциала у интенсивных сортов мягкой пшеницы (Triticum aestivum L.). Сельскохозяйственная биология, 2016, 51(5): 627-635 ( ).
  • DOI: 10.15389/agrobiology.2016.5.627rus
  • Новохатин В.В. Модель сорта яровой пшеницы для Северного Зауралья. Мат. науч.-практ. конф. "Сельскохозяйственная наука - развитию АПК Тюменской области" (15-17 февраля 2000 года, Тюмень). Тюмень, 2000: 50-56.
  • Мальчиков П.Н., Мясникова М.Г. Возможности создания сортов яровой твердой пшеницы (Triticum durum Desf.) c широкой изменчивостью параметров вегетационного периода. Вавиловский журнал генетики и селекции, 2015, 19(2): 176-184.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp