Создание сортов и селекционного материала челночной селекции с использованием генетического материала синтетической пшеницы

Ввeдeниe

В настоящее время состав возделываемых сортов пшеницы как в нашей стране, так и за рубежом отличается низким генетическим разнообразием, что создает угрозу для снижения адаптивности к биотическим и абиотическим стрессовым факторам. В связи с этим дикие сородичи культурных растений приобретают все большее значение для селекции как доноры хозяйственно ценных признаков.

Например, в CIMMYT организован постоянный процесс по созданию разнообразного исходного материала с использованием всех доступных генетических ресурсов пшеницы; проводятся ступенчатые, возвратные скрещивания, в которые вовлекаются сорта яровой и твердой мягкой пшеницы, сорта озимой пшеницы, виды рода Aegi-lops L., Agropyron L., Secale L. и др. [1; 2].

Одним из наиболее часто используемых в селекционных программах видов эги-лопса является Aegilops tauschii Coss. (2n = 2х = 14, DD) . За последние 50 лет с участием Aegilops tauschii создано 199 сортов и 1913 линий. Примерно 68% сортов, родословные которых содержат Ae. tauschii , созданы в Северной Америке, преимущественно в США, а также 12% сортов – в Индии и других странах Азии, тогда как в нашей стране – только шесть сортов [3].

Главная причина ограниченного селекционного использования диких сородичей – сложность переноса их генетического материала в культивируемые виды растений [4]. Облегчить передачу генетического материала от Ae. tauschii можно с помощью синтетической гексаплоидной пшеницы (СГП), которая имеет такой же геномный состав (2 n = 6х = 42, BBAADD), как мягкая пшеница [5; 6].

Исследованиями, проведенными в Омском ГАУ, показана селекционная ценность синтетических гексаплоидов пшеницы с геномом Ae. tauschii для повышения урожайности, устойчивости к болезням и улучшения качества зерна [7; 8].

Цeль иccлeдoвaний – селекционная оценка сортов челночной селекции, полученных с участием синтетической гексаплоидной пшеницы, в условиях Западной Сибири.

Oбъeкты и мeтoды

В 2015–2017 гг. в конкурсном сортоиспытании на большом опытном поле Омского ГАУ, расположенном в южной лесостепной зоне Западной Сибири, изучены лучшие сорта челночной селекции, имеющие в родословной синтетическую пшеницу с геномом Aegilops squarrosa (syn. Ae. tauschii ): Лютесценс 24-12 (Касибовская), Лютесценс 27-12, Лютесценс 87-12, Лютесценс 70-13, Лютесценс 87-13, Лютесценс 88-13 (Силан-тий), Лютесценс 124-13. В качестве материнских форм при создании синтетической пшеницы использованы мексиканский сорт твердой пшеницы Chen ( T. durum Desf., 2n = 4х = 28, BBAA) и образец полбы T. dicoccon PI 94625 ( T. diccocum Schubl., 2n = 4х = 28, BBAA) в соответствии с классификацией Э. Сирса ( T. dicoccon ).

Конкурсное сортоиспытание (КСИ) закладывали по черному пару. Коэффициент высева 4,5. Учетная площадь делянки 25 м2. Повторность в КСИ по пару – четырехкратная, второй культурой после пара – трехкратная. В качестве стандартов использовали среднеранний сорт Памяти Азиева, среднеспелый – Дуэт и среднепоздний – Элемент 22. Тип и степень устойчивости к бурой и стеблевой ржавчине определяли по общепринятым шкалам, используемым участниками программы КАСИБ [9]. Идентификация Lr-генов проведена в ФГБНУ ВИЗР и Sr-генов – в ИЦиГ СО РАН согласно установленному протоколу . В лаборатории LGC Genomics (Великобритания) проведено генотипирование сортов с использованием KASP-маркеров, ассоциированных с генами, контролирующими запасные белки глютенины и пуроиндолины.

Все наблюдения, учеты, оценки и анализы проводили по методике государственного сортоиспытания сельскохозяйственных культур [10]. Уборка урожая однофазная комбайном «Сампо 130». Определение содержания белка и клейковины проводили в учебнонаучной лаборатории селекции и семеноводства полевых культур им. С.И. Леонтьева ФГБОУ ВО Омский ГАУ на приборе «Инфралюм» ФТ 10. Существенность различий между сортами по выраженности изучаемых признаков определяли с помощью диспер- сионного анализа [11]. Cтaтиcтичecкую oбpaбoтку экcпepимeнтaльных дaнных пpoвoдили c иcпoльзoвaниeм пpoгpaммы STATISTICA v. 6.0 (StatSoft, Inc., CШA). В 2015 г. отмечена эпифитотия стеблевой ржавчины, степень поражения восприимчивых сортов составила 30–80S. В целом за годы исследований в Омской области погодные условия способствовали развитию ржавчинных болезней, в связи с чем наблюдался высокий уровень поражения посевов пшеницы бурой и стеблевой ржавчиной.

Peзультaты иccлeдoвaний

В рамках программы челночной селекции CIMMYT, координатором которой с российской стороны является Омский ГАУ, получены сорта челночной селекции путем отбора из гибридных популяций, имеющих в своей родословной лучшие адаптивные сорта казахстанской и омской селекции, синтетическую пшеницу, полученную на основе видов T. durum , T. dicoccum и Ae. tauschii , а также образцы и сорта CIMMYT (табл. 1).

Таблица 1

Характеристика линий, созданных c участием синтетической пшеницы (КСИ, Омский ГАУ, в среднем за 2015–2017 гг.)

Сорт	Происхождение	Вегетационный период, сут	Урожайность, т/га	+/– к стандарту, т/га
Памяти Азиева, среднеранний стандарт		82	3,15	–
Лютесценс 24-12	Sonata*2 /5/ Chen / Аe. sq. // 2*Weaver /3/ Bav 92 /4/ Jaru	81	3,65*	0,50
Дуэт, среднеспелый стандарт		84	3,65	–
Лютесценс 27-12	Lutescens 30-94*2 /3/ T. dicoccon PI 94625 / Аe. sq. (372) // 3*Pastor	84	3,98*	0,33
Элемент 22, среднепоздний стандарт		90	3,83	–
Лютесценс 87-12	Kazakhstanskaya 25 / 2*Attila /3/ T. dicoccon PI 94625 / Аe. sq. (372) // 3*Pastor /4/ Omskaya 37	87	3,54	–0,29
Лютесценс 70-13	Lutescens 30-94*2 /3/ T. dicoccon PI 94625 / Аe. sq. (372) // 3*Pastor	87	3,87	0,04
Лютесценс 87-13	Lutescens 30-94*2 /3/ T. dicoccon PI 94625 / Аe. sq. (372 ) // 3*Pastor	88	3,81	–0,02
Лютесценс 88-13	Lutescens 30-94*2 /3/ T. dicoccon PI 94625 / Аe. sq. (372) // 3*Pastor	88	3,83	–
Лютесценс 124-13	Вvxiaobingmai (T.AT) / Milan /5/ Chen / Аe. sq. // 2*Weaver /3/ Bav 92 /4/ Jaru /6/ EMB16 / CBRD // CBRD	90	3,58	–0,25
НСР 05 0,18

* Достоверная прибавка урожайности по сравнению со стандартом.

Благодаря сложным ступенчатым скрещиваниям с привлечением разнообразного исходного материала, сорта челночной селекции характеризуются комплексом хозяйственно ценных признаков. Из среднеранних сортов за годы исследований выделена линия Лютесценс 24-12 (ныне сорт Касибовская), которая за годы исследований имела преимущество по урожайности (3,65 т/га) перед стандартом Памяти Азиева. Из среднеспелых сортов по урожайности достоверно превзошел стандарт Дуэт сорт Лютесценс 27-12 с урожайностью 3,98 т/га (+0,33), а в группе среднепоздних сортов – Лютесценс 70-13 (3,87 т/га) и Лютесценс 88-13 (3,83 т/га), сформировавшие урожайность на уровне стандарта Элемент 22.

Исходный материал, созданный по программе челночной селекции, имеет большую ценность при решении проблемы устойчивости к листовым патогенам, о чем свидетельствует оценка сортов в полевых условиях (табл. 2).

Таблица 2

Полевая оценка устойчивости к бурой и стеблевой ржавчине сортов, созданных c участием синтетической пшеницы (КСИ, 2015-2017 гг.)

Сорт	Поражение бурой ржавчиной, %/тип реакции			Поражение стеблевой ржавчиной, %/тип реакции			Ген
	2015	2016	2017	2015	2016	2017	Lr	Sr
Памяти Азиева, среднеранний стандарт	80S	100S	80S	80S	60S	40S	Lr10	–
Лютесценс 24-12	20M	20M	10M	20M	10M	20M	Lr34	Sr57
Дуэт, среднеспелый стандарт	20S	5MR	20M	80S	60S	10MR	Lr9	–
Лютесценс 27-12	R	5MR	R	15MR	R	R	Lr3, Lr14а, Lr16, Lr17, Lr21	Sr23, Sr36
Элемент 22, среднепоздний стандарт	R	R	R	R	R	R	Lr26	Sr31, Sr35
Лютесценс 87-12	R	R	R	30МS	R	R	Lr3, Lr10, Lr16, Lr17, Lr21	Sr23, Sr36
Лютесценс 70-13	5M	15МR	5МR	10M	5MR	R	Lr3, Lr16, Lr17, Lr26	Sr23, Sr31, Sr36
Лютесценс 87-13	5M	15ТR	R	5M	5MR	R	Lr3, Lr16, Lr17, Lr21, Lr26	Sr23, Sr31, Sr36
Лютесценс 88-13	5M	10ТR	R	5M	5MR	R	Lr3, Lr16, Lr21	Sr23
Лютесценс 124-13	20M	25М	R	20M	10MR	R	Lr10	–

С помощью ДНК-маркеров проведена идентификация Lr - и Sr -генов, которая выявила разнообразие данного материала по генам устойчивости к ржавчинным болезням.

Так, частично эффективный ген устойчивости к бурой ржавчине от Ae. tauschii Lr21 ( Lr40 ) выявлен у сортов Лютесценс 27-12, Лютесценс 87-12, Лютесценс 87-13 и Лютесценс 88-13, а пшенично-ржаная транслокация 1BL.1RS ( Lr26/Sr31 ) – у сортов Лютесценс 70-13 и Лютесценс 87-13. Ген устойчивости взрослых растений Lr34 , имеющий плейотропный эффект ( Sr57 / Yr18 / Pm38 ), выявлен у сорта Касибовская. Устойчивость гена Lr34 в России утеряна, однако его комбинация с тремя-четырьмя генами возрастной и ювенильной устойчивости обеспечивает основу длительной устойчивости сортов [12]. Сорт Касибовская характеризуется умеренной устойчивостью к ржавчинным болезням и, вероятно, имеет дополнительные гены устойчивости.

Для селекции в регионе представляют интерес сорта Лютесценс 27-12, Лютесценс 70-13, Лютесценс 87-13, Лютесценс 88-13, устойчивые к бурой и стеблевой ржавчине, у которых идентифицированы гены Lr3 , Lr10 , Lr16 , Lr17 , Lr21 , Lr26 , Sr23 , Sr31 и Sr36 в различном сочетании.

Вид Ae. tauschii рассматривается для селекционной практики как перспективный источник в улучшении качества пшеницы, поскольку характеризуется большим поли- морфизмом клейковинных белков и повышенным содержанием белка в зерне [13]. Сорта челночной селекции были генотипированы в лаборатории LGC Genomics (Великобритания) KASP-маркерами, разработанными для локусов Glu и Pin (табл. 3).

Таблица 3

Характеристика лучших сортов питомника КСИ по аллельному составу глютенина, генов пуроиндолинов и показателям качества зерна, в среднем за 2015–2017 гг.

Сорт, линия	Локус, аллель					Содержание		Стек-ловидность, балл	Урожай-ность, т/га
						Белок, %	Клей-кови-на, %
	Glu-А1	Glu-D1	Pina-D1	Pinb-D1	Pinb-В2
Среднеспелые
Дуэт, St	2*	2+12	G:G	C:С	Del/Del	15,1	28,3	2,6	3,65
Лютесценс 27-12	2*	2+12	G:G	C:С	Del/Del	14,9	26,6	8,2*	3,98*
Среднепоздние
Элемент 22, St	2*	5+10	G:G	C:С	Del/Del	14,3	27,1	3,4	3,83
Лютесценс 87-12	2*	2+12	G:G	C:С	Del/Del	16,5*	31,3*	2,2	3,54
Лютесценс 88-13	2*	2+12	G:G	C:С	Del/Del	15,6*	29,9*	6,2*	3,83
Лютесценс 124-13	2*	2+12	G:G	C:С	Del/Del	16,1*	32,1*	7,0*	3,58
НСР 05                                                       0,4      1,2      0,37         0,18

Примечание . Полужирным шрифтом обозначены аллели, ассоциированные с геном, контролирующим твердозерную структуру эндосперма.

Субъединицы 2* локуса Glu-А1 и 5 + 10 локуса Glu-D1 , определяющие высокие показатели качества зерна и хлебопекарные свойства пшеницы, выявлены у стандарта Элемент 22. У сортов, полученных с участием синтетической пшеницы Лютесценс 2712, Лютесценс 87-12, Лютесценс 88-13 и Лютесценс 124-13, присутствуют субъединицы 2* и 2 + 12 в составе глютенина, а также доминантный аллель локуса Pinb-D1 , что обусловливает среднетвердозерную структуру эндосперма и хорошие хлебопекарные свойства. По содержанию белка (> 15%) и клейковины (> 30%) выделились сорта Лю-тесценс 87-12, Лютесценс 88-13 и Лютесценс 124-13.

Зaключeниe

Таким образом, по программе челночной селекции с использованием генетического потенциала синтетической пшеницы с геномом Ae. tauschii созданы высокоурожайные сорта и исходный материал для селекции яровой мягкой пшеницы с комплексной устойчивостью к болезням и комбинацией ценных генов, с высокой урожайностью и качеством зерна.

В гибридизацию целесообразно включать источники устойчивости к бурой и стеблевой ржавчине с идентифицированными эффективными генами устойчивости: Лютесценс 27-12 ( Lr3, Lr14а, Lr16, Lr17, Lr21 , Sr23, Sr36 ), Лютесценс 87-12 ( Lr3, Lr10, Lr16, Lr17, Lr21, Sr23, Sr36 ), Лютесценс 70-13 ( Lr3, Lr16, Lr17, Lr26, Sr23, Sr31, Sr36 ), Лютесценс 87-13 ( Lr3, Lr16, Lr17, Lr21, Lr26, Sr23, Sr31, Sr36 ), Лютесценс 88-13 ( Lr3, Lr16, Lr21, Sr23 ) для селекции яровой мягкой пшеницы в Западной Сибири. По содержанию белка (> 15%) и клейковины (> 30%) выделены сорта Лютесценс 87-12, Лютес-ценс 88-13 и Лютесценс 124-13.

На государственное сортоиспытание передан новый сорт яровой мягкой пшеницы Силантий (Лютесценс 88-13), по качеству зерна отвечающий требованиям к сильной и ценной пшенице, с комплексной устойчивостью к бурой и стеблевой ржавчине. Сорт рекомендуется для возделывания в Западно-Сибирском и Уральском регионах РФ.

I.V. Pototskaya, A.S. Chursin, V.P. Shamanin

Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin, Omsk

Сreation of varieties and breeding material for shuttle breeding on the basis of genetic material of synthetic wheat

Nowadays, the composition of cultivated wheat varieties both in our country and abroad is characterized by low genetic diversity, which produces a threat to reducing their adaptability to biotic and abiotic stress factors. The program of shuttle breeding under the aegis of CIMMYT allows for an expansion in the genetic diversity of wheat varieties due to involving different source material into hybridization, including synthetic hexaplo-id wheat with the Ae. tauschii genome. The results of competitive variety trial in 2015–2017 in southern foreststeppe zone of Western Siberia of 7 shuttle breeding varieties with synthetic wheat in their pedigree are presented. Leaf and stem rust resistance genes Lr3, Lr10, Lr16, Lr17, Lr21, Lr26, Sr23, Sr31 , and Sr36 have been identified. The genotyping of variety with usage of KASP-markers associated with genes which control the glutenin and puroindoline proteins was carried out. Varieties that formed high average yield over the research years were identified as follows: Lutescens 24-12 (Kasibovskaya), Lutescens 27-12, Lutescens 70-13, and Lutescens 88-13 (Silantiy). The following varieties are of interest for breeding in the region of Western Siberia: Lutescens 27-12, Lutescens 87-12, Lutescens 70-13, Lutescens 87-13, Lutescens 88-13, being resistant to leaf and stem rust with identified combinations of Lr - and Sr -genes. The varieties Lutescens 87-12, Lutescens 88-13 (Silantiy), and Lutescens 124-13 have distinguished themselves as characterized by a high protein (> 15%) and gluten (> 30%) content. A new high-yielding variety of spring soft wheat Silantiy (Lutescens 88-13), which corresponds to strong and valuable wheat with complex resistance to leaf and stem rust, was transferred to the State Variety Trial, and recommended for the Western Siberian and Ural regions of the Russian Federation.

Cпиcoк литepaтуpы

• 1.    Wheat genetic resources in the post-genomics era: promise and challenges / A. Rasheed [et al.] // Annals of Botany. – 2018. – V. 121(4). – Р. 603–613.

• 2.    Synthetic hexaploid wheat: yesterday, today, and tomorrow / A. Li [et al.] // Engineering. – 2018. – V. 4. – Р. 552–558.

• 3.    Мартынов С.П . Генеалогический анализ распространения генетического материала эгилоп-сов ( Aegilops L.) в сортах мягкой пшеницы (Triti-cum aestivum L.) / С.П. Мартынов, Т.В. Добротвор-ская, О.П. Митрофанова // Генетика. – 2015. – Т. 51. – № 9. – С. 1000–1008.

• 4.    Reproductive behavior of hexaploid/diploid wheat hybrids / T.S. Cox [et al.] // Plant Breed. – 1991. – V. 107. – Р. 105–118.

• 5.    Создание и изучение сорта яровой мягкой пшеницы Памяти Майстренко с интрогрессией генетического материала от синтетического гекса-плоида Triticum timopheevii Zhuk. × Aegilops tau-schii Coss. / Л.И. Лайкова [и др.] // Генетика. – 2013. – Т. 49. – № 1. – С. 103–112.

• 6.    Генетическое разнообразие и селекционная ценность синтетической гексаплоидной пшеницы, привлеченной в коллекцию ВИР / А.Г. Хакимова [и дp.] // Вавиловский журнал генетики и селекции. – 2019. – Т. 23. – № 6. – С. 738–745.

• 7.    Синтетическая пшеница : монография / В.П. Шаманин [и дp.]. – Омск : Изд-во ФГБОУ ВО Омский ГАУ, 2018.