Влияние интрогрессии мутантных генов на формирование урожайности сортов гороха

ограничивает или полностью исключает их применение [7].

Экспериментальной генетикой в настоящее время доказана возможность анализа количественной изменчивости менделевскими методами, поскольку выделены отдельные гены, которые контролируют значительную (бóльшую) часть генотипической изменчивости [8,9]. Cо второй половины XX века в селекции гороха при создании новых сортов широко используются рецессивные аллели генов, влияние которых на    процессы,    обеспечивающие формирование урожая в благоприятных и стрессовых условиях среды, не изучено в полной мере.

Целью настоящих исследований является анализ влияния    аллелей,    определяющих    коротко- стебельность, усатый тип листа, детерминацию стебля и морщинистость семян на формирование семенной продуктивности растений гороха.

Исследования осуществлялись на сортах , гибридах , изогенных линиях и мутантах гороха различного использования , созданных во ВНИИ зернобобовых и крупяных культур и других научно исследовательских учреждениях за период с середины XX века по настоящее время . Экспериментальный материал изучали в полевых условиях в коллекционных , гибридных , селекционных питомниках и КСИ [10,11].

Влияние короткостебельности растений на семенную продуктивность . Первые исследователи генетического контроля длины стебля у гороха предполагали, что этот признак детерминирует ген высокостебельности Le, тогда как короткостебельность – рецессивный аллель le [12]. Последующие исследования вскрыли очень сложный характер наследования этого признака. По крайней мере, признак "длина стебля" растения контролируется не менее чем двумя системами генов, одна из которых обусловливает длину междоузлий, вторая – их число. В настоящее время известно более 6 морфотипов гороха генетически различающихся по длине растений [13].

Селекция сортов гороха в середине прошлого столетия была направлена на создание сортов средне - и низкостебельных . В качестве исходных родительских форм использовались зарубежные короткостебельные сорта с уменьшенной длиной междоузлий (lm lm): Смарагд , Богатырь , Раман , Рондо , Паула и др . Во ВНИИЗБК были созданы высокопродуктивные короткостебельные сорта гороха зернового ( Норд , Орловчанин , Орловчанин 2) и кормового использования ( Орпела , Алла , Зарянка , Наташа ). Короткостебельность сопровождалась увеличением коэффициента хозяйственного использования , и к настоящему времени он достиг практически максимального уровня при относительно стабильной в агроценозе общей биомассе растений . При этом вегетационный период сократился на 10-13 суток ( табл . 1).

Таблица 1 – Хозяйственно ценные признаки сортов гороха различных периодов селекции

Районированные сорта	4 ° S s ^ a S Ч с	§ _ >5 2	3 s □ a   m 2   ° У о со Он >^ cd К	X cm2 ohm s о Ура 2 >^ Рк с	и 8 -е 2	„ о а ^ § 5 ^ а . ^ а н ° О -^			О о CD т
Полевые испытания 1974 – 1978 г.г.
Сорта селекции различных НИУ, созданные в середине 20 века: Рамонский 77, Черниговский 190, Ульяновский 68, Мироновский 186, Стрелецкий	131,9	6,8	17,9	4,2	40	11,2	10,2	29,0	98
Полевые испытания 1997 – 2000 гг.
Сорта селекции ВНИИЗБК, созданные в конце XX века: Норд, Батрак, Орловчанин, Ш устрик, Орловчанин 2, Мультик	50,7	3,9	14,1	2,9	3,8	7,5	29,3	49,0	87
Полевые испытания 2007 – 2010 гг.
Сорта селекции ВНИИЗБК, созданные в начале XXI века: Темп, Спартак, Фараон	58,2	3,8	14,8	3,1	5,2	8,0	32,4	49,9	85

Влияние неосыпаемости семян на семенную неосыпаемости . Но после повторных отборов продуктивность . Естественный мутант с продуктивных и скороспелых растений подтверждена неосыпающимися семенами был выделен возможность сочетания у константных линий гороха А . Розенталем [14] в комбинации скрещивания гороха признака неосыпаемости с другими хозяйственно посевного (ssp. sativum) с высоким (ssp. elatius). полезными признаками , что согласуется с В . В . Хангильдин в 1972 г . [15] установил , что признак результатами А . М . Ш евченко [18].

неосыпаемости контролируется рецессивным геном На протяжении ряда лет во ВНИИ ЗБК def. Успешная работа по созданию сортов с признаком проводились экологические испытания 42 сортов неосыпаемости семян проводилась А . М . Ш евченко гороха , относящихся к различным морфотипам с [16] на Ворошиловоградский ( Луганской ) опытной осыпающимися и неосыпающимися семенами ( табл . станции , во ВНИИЗБК ( В . Л . Яковлевым , 2) [19, 20].

М . Д . Варлаховым ), в НИИСХ ЦРНЗ ( Г . А . Дебелым ) и Представленные результаты и обобщение др . литературных данных не позволяют сделать

В настоящее время большая часть сортов , которые однозначный вывод о влиянии неосыпаемости на в последние годы включены в Госреестр РФ , обладает семенную продуктивность . Тем не менее , неосыпающимися семенами . В исследованиях использование гена неосыпаемости семян в новых Г . А . Дебелого , Б . Н . Цакашвили [17] в гибридных селекционных сортах гороха в условиях ЦР России популяциях с участием неосыпающихся форм в F 2 значительно повысило их технологичность , хотя и не доказано преимущество по семенной продуктивности исключается снижение качества семян .

элитных растений , не обладающих признаком

Таблица 2 – Характеристика морфотипов гороха по хозяйственно ценным признакам в экологическом испытании, среднее за 2000–2002 гг.

Морфотип	Количество сортов	Урожайность семян, т/га	Масса 1000 семян, г	Коэффициент размножения	Вегетационный период, сут.	Сырой протеин, %
Обычный тип листа с осыпающимися семенами	8	2,82	231,6	9,9	91	28,2
Обычный тип листа с неосыпающимися семенами	11	2,93	246,9	9,7	88	29,3
Усатый тип листа с осыпающимися семенами	7	3,24	242,9	9,8	89	32,4
Усатый тип листа с неосыпающимися семенами	10	2,97	221,8	10,6	87	29,6
Пелюшка кормовая, обычный тип листа с осыпающимися семнами	4	2,55	212,9	9,5	93	25,5
Пелюшка кормовая, усатый тип листа с неосыпающимися семенами	2	3,28	225,8	10,8	88	32,8
НСР 05		0,162

Влияние гена морщинистости семян r на семенную продуктивность . В настоящее время известно 5 генов морщинистости семян . Аллели морщинистости семян r и rb обусловливают ряд физиолого - биохимических процессов , содержание амилозы и амилопектина в семенах , контролируют ферменты , участвующие в синтезе крахмала и его компонентов [21]. У мутантов rr уровень амилопектина снижается до 30%, а у rb rb поднимается до 70%, хотя общее содержание крахмала у обоих генотипов составляет около 30%. C.L.Hedley et all [22] выявили новые мутантные аллели rugosus rug3-rug5, при этом аллели rug3-rug5 также оказывают значительное влияние на синтез крахмала и его состав .

Установлено , что рецессивный аллель r в гомозиготном состоянии не только влияет на уровень амилозы в крахмале , но и контролирует содержание воды в развивающихся семенах . G. Engqvist et all [23] изучали влияние на урожайность рецессивных генов двух различных локусов r и rb на изогенных линиях гороха . Данные указывают , что рецессивный аллель rb не оказывает отрицательного влияния на семенную продуктивность генотипов , тогда как у генотипов rr продуктивность семян снижается на 15%. С . Тимчук и соавторы [24] подтвердили отмеченные факты и показали возможность взаимодействия аллелей R и r с другими генетическими системами , что может значительно модифицировать и в ряде случае интенсифицировать моногенный эффект . Кроме того обнаружена сортовая специфичность по физиолого биохимическим показателям и продуктивности семян .

В 2011 году проведен анализ семенной продуктивности генотипов гороха в трех расщепляющихся комбинациях F2 от скрещивания гороха с гладкими семенами (RR) с сортами овощного гороха с морщинистыми семенами (rr) (табл. 3). Полученные нами результаты показывают, что семенная продуктивность у гомозигот rr была ниже по сравнению с гомозиготами RR и гетерозиготами Rr.

Таблица 3 – Семенная продуктивность растений гороха в расщепляющихся гибридных комбинациях F2, 2011 г.

(каждый генотип представлен 15 растениями)

Комбинация скрещивания	Масса семян с растения, г
Орловчанин х Амиус 1245 RR	8.8
Rr	6.2
rr	6.1
Амиус 334 х Батрак RR	7,3
Rr	6,9
rr	6,1
Орловчанин 2 х Амиус 1245 RR	6,4
Rr	7,2
rr	5,3
Beгa st.	5,0
НСР 05	0,31

Ген морщинистости семян в гомозиготном состоянии оказывает отрицательное влияние на семенную продуктивность растений . Как указывалось выше , аллель r контролирует содержание воды в развивающихся семенах . По мере их созревания возможна быстрая потеря воды , что , вероятно , приводит к снижению массы семян с растений . Это предположение было проверено нами на сортах гороха овощного и зернового использования в полевом опыте ( табл . 4).

Таблица 4– Семенная продуктивность морфотипов гороха овощного и зернового использования, 2010–2011 г.

Овощные морфотипы	Кол-во образцов	Масса семян, г/раст	Масса 1000 семян, г	Зерновые морфотипы	Кол-во образцов	Масса семян г/раст.	Масса 1000 семян г
Листочковые	32	4,1	173	Листочковые	6	5,8	248
Усатые	12	4,0	136	Усатые	10	5,2	172
Детерминантные	2	3,9	141	Детерминантные	3	4,5	268
Хамелеоны	6	4,5	196	Хамелеоны	3	5,8	230
				Пелюшки лист.	2	4,6	215
				Пелюшки усат.	1	5,1	277
				Люпиноид	1	4,3	278

Результаты исследования свидетельствуют о морфотипов овощных сортов гороха по отношению к сравнительно низкой семенной продуктивности сортам зернового использования . Все морфотипы с 22

морщинистыми семенами обладают сравнительно низкой массой 1000 семян , и факторный анализ подтвердил большой вклад массы 1000 семян в формирование продуктивности овощных сортов гороха .

Перспективной морфологической формой овощного гороха является морфотип « хамелеон », который характеризуется ярусной гетерофилией . Урожайность линий этого морфотипа в полевых испытаниях составляла в 2007-2011 гг . от 1,8 до 3,0 т / га . Известно что , удачные комбинации генов в целом редки из - за случайного характера рекомбиногенеза в процессе селекции . Линии типа « хамелеон », как овощного (rr), так и зернового использования (RR), по - видимому , отличаются сбалансированностью взаимодействия комплекса генов , детерминирующих особенности вегетативных и генеративных органов .

Таким образом , можно предположить , что рецессивный аллель морщинистости семян r снижает массу семян в бобе и массу семян с растения

Влияние генов усатого типа листа и детерминации стебля на показатели продукционного процесса и семенную продуктивность сортов гороха . Спонтанная мутация " усатый лист " впервые была выделена из сорта Свобода 10 на Грибовской овощной селекционной станции ( теперь ВНИИССОК ) [25]. Мутант представлял собой растение с хорошо развитыми усами вместо листочков . Из этого же сорта Свобода 10 после обработки семян НЭМ в концентрации 0,012% выделена детерминантная форма с генетически обусловленным ограниченным ростом [26]. Позднее детерминанты - мутанты были выделены А . М . Ш евченко [18] и А . Е . Зубовым [27].

Детерминантный мутант , выделенный из овощного гороха Свобода 10, контролируется рецессивным геном det, тесно сцепленным с геном r – морщинистости семян , и оказывается неаллельным двум другим мутантам . Признак усатого типа листа af (afila) – рецессивный и наследуется моногенно [28, 29].

В 1997–2004 гг . нами было проведено сравнительное исследование 10 сортов гороха с различным насыщением мутантных генов по показателям продукционного процесса и семенной продуктивности ( табл . 5). При этом сорта Неручь , Норд и Демон являются , соответственно , моно –, ди – и тримутантными аналогами сорта Смарагд [30].

Таблица 5– Генотипы сортов гороха

Сорта		Генотипы
Смарагд lm Af	Зубр lm Af	Короткостебельный с обычным типом листа
Неручь lm Af def	Орловчанин lm Af def	Короткостебельный, обычный тип листа, неосыпающиеся семена
Норд lm af def	Спрут 2 lm af def	Короткостебельный, усатый тип листа, неосыпающиеся семена,
Солара lm af	Орлус lm af	Короткостебельный, усатый тип листа
Демон lm def af det	Батрак lm def af deh	Короткостебельный, усатый тип листа, неосыпающиеся семена, детерминантный

Оценка в контрастных метеорологических условиях и при различной плотности посевов позволила установить , что гены усатого типа листа и детерминации стебля контролируют разграничение вегетативной и генеративной фаз в ходе онтогенеза растений гороха . У листочковых индетерминантных сортов формирование стебля и листьев имеет растянутый во времени характер и заканчивается , как правило , к началу налива семян . Исключение составлял сорт Орловчанин , который обладает ярко выраженной физиологической детерминацией роста и минимальным среди генетически индетерминантных сортов наложением фаз вегетативного роста и формирования репродуктивных органов . У детерминантных сортов интенсивные ростовые процессы проходят в период всходы - цветение , и к концу фазы цветения они заканчивают накопление вегетативной массы . У усатых сортов в начале вегетационного периода наблюдается замедленное нарастание массы вегетативных органов , но в дальнейшем , при формировании достаточной площади листовой поверхности , этот процесс становится более интенсивным , и к концу цветения – началу завязывания бобов формирование вегетативных органов практически завершается .

Во всех вариантах плотности растений в агроценозе листочковые сорта формировали самую большую площадь листьев ; детерминантные усатые сорта уступали по этому показателю листочковым и усатым индетерминантным сортам ( табл . 6).

Таблица 6 – Показатели фотосинтетической деятельности и урожайность семян сортов гороха, среднее за 1997…2000гг.

cf о X Я О и gя § si" с	g ю сЗ КС	еч В g d 1 !1 s 5 У s 5 ^ с	И Н rrt о 2 S 3 ^ s g с	2 С е	я и m у	И 5 g
Листочковые сорта (Смарагд, Зубр , Неручь, Орловчанин)
1,66	48,01	21,60	112,32	0,579	3,60	20,3
1,25	50,3	15,25	88,00	0,447	3,93	23,2
0,84	50,9	7,64	56,47	0,295	4,12	25,7
Усатые сорта (Норд, Спрут, Орлус, Солара)
1,66	49,9	19,36	163,52	0,500	4,10	27,5
1,25	50,2	6,98	80,87	0,378	4,49	20,2
0,84	52,2	9,97	33,18	0,223	4,78	18,6
Детерминантные сорта (Демон, Батрак)
1,66	45,4	18,82	82,24	0,499	4,37	25,1
1,25	43,7	12,12	66,25	0,355	4,70	24,2
0,84	43,8	6,72	28,89	0,216	5,19	18,5

В соответствии с этим, листочковые сорта обладают и наиболее высоким фотосинтетическим потенциалом (ФП). Увеличение плотности ценоза при увеличении нормы высева семян с 0,84 до 1,66 млн. /га способствовало увеличению ФП у листочковых сортов в 1,3-1,9 раза, у усатых и детерминантных сортов в 1,2-2,3 раза. Наибольшая урожайность семян получена у листочковых сортов в рядовом посеве – 25,7 ц/га. Усатые и детерминантные сорта были более приспособлены к условиям загущения, они формировали наибольшую урожайность при норме высева семян 1,66 млн. /га (соответственно, 27,5 и 25,1 ц/га).

Комплексы мутантных генов вызывают формирование неспецифической реакции сортов на фитогенные стрессовые воздействия . Увеличение плотности стеблестоя приводило к снижению массы семян с растения , которое было наибольшим у листочковых морфотипов и составляла 20,6-43,9%, у усатых – 14,3-41,4%, у детерминантных – 0,4-2,9%. Преимущество сортов короткостебельных с усатым типом листа и детерминантностью стебля обусловлено тем , что они создают агроценоз с улучшенным световым режимом по вертикали стеблестоя за счет более равномерного распределения света . Это в свою очередь создает более благоприятные условия для фотосинтеза .

По данным А . В . Амелина , у усатых сортов усиливается фотосинтетическая деятельность прилистников и усиков , а также фотосинтетическая активность неспециализированных органов , таких как створки боба , стебель , черешок листа [31]. Эти взаимодействия , в сочетании с наблюдаемой генетической изменчивостью по всем физиологическим компонентам урожая , указывают на огромный потенциал для создания новых высокоурожайных сортов .

Исследование влияния рецессивного аллеля af на формирование листовой поверхности и корневой системы показало , что в начале вегетации растений из - за малой площади листьев усатые сорта отличаются более слабой эффективностью усвоения падающей фотосинтетической активной радиации , поэтому имеют худшие стартовые условия для роста . В полевых экспериментах они формировали к началу цветения листовую поверхность в среднем 272 см ² / растение против 450 см ² / растение у листочковых сортов . Но в дальнейшем этот разрыв уменьшался , очевидно , в силу различий в напряженности фитоценотических взаимодействий , и в благоприятных погодных условиях был минимальным ( рис . 1). По - видимому , формирование листовой поверхности и урожайности усатыми сортами больше , чем у листочковых сортов , зависит от того , как складываются погодные условия в период экспоненциального роста растений .

Начало Зеленая цветения спелость семян

Рисунок 1 – Площадь листовой поверхности у листочковых и усатых сортов гороха, см2/раст. 2009г

Уменьшение площади листовой поверхности у сортов усатого морфотипа сопряжено с ослаблением роста корневой системы , что обусловлено трофическими взаимодействиями между этими органами . Согласно полученным данным , показатели роста корней тем ниже , чем больше степень редукции листьев ( табл . 7). В период вегетативного роста усатые с обычными прилистниками сорта уступали листочковым по массе и объему корней на 10-28%, по площади общей и деятельной поглощающей поверхности - на 13-35%, по общей протяженности корней - на 16-40%.

Таблица 7 – Показатели корневой системы у сортов гороха листочкового и усатого типов. Фаза шести листьев (среднее за 1994–1996 гг.)

Сорт	о § § я ^ £5 и	5 2 vo О	Поглощающая поверхность			к н о с	и
			В * О 2		3 m
Листочковые сорта
Орловчанин	102	1,86	2,02	0,84	0,46	10,4	0,38
Труженик	93	1,83	2,11	0,87	0,44	11,5	0,35
Безлисточковые сорта
Норд	84	1,66	1,75	0,69	0,43	8,7	0,39
Орлус	73	1,34	1,40	0,57	0,42	6,9	0,39
Батрак	72	1,42	1,51	0,60	0,42	7,7	0,38
в т.ч. с редуцированными прилистниками
Филби	43	0,79	0,77 0,27		0,34	3,5	0,42

Редукция прилистников , при отсутствии листочков , вызывала ещё более значительное ухудшение роста корневой системы . Сорт Филби (afafstst) уступал листочковым сортам по массе и объему корней на 48-58%, площади деятельной поглощающей поверхности - на 69%, длине корней - на 66-70%. Наблюдалась тенденция у усатых сортов к снижению значений удельной поглощающей поверхности корней , характеризующих степень развития корневых волосков и поглотительный потенциал единицы объема корня .

В процессе онтогенеза различия между морфотипами по основным параметрам корневой системы еще более увеличивались и достигли максимальных значений при переходе к репродуктивному развитию . Корреляция между площадью листьев и корневой системы в опытах была очень тесной ( г = 0,78–0,98).

Формирование фотосинтетического аппарата и корневой системы у морфотипов гороха зависит от плотности стеблестоя в агрофитоценозе . У листочковых сортов , очевидно , из - за значительного взаимозатенения листьев разных ярусов , более благоприятные условия складываются при относительно меньших нормах высева , по сравнению с усатыми сортами . Так , у листочкового сорта Темп максимальная площадь листьев и поглощающая поверхность корней формировались при норме высева семян 1,0 млн ./ га , а у усатого сорта Фараон - при норме высева 1,2 млн ./ га ( рис . 2).

А

Б

В

Рисунок 2 – Влияние нормы высева на поглощающую поверхность корней (А), площадь листьев (Б) и урожайность зерна (В) сортов гороха, среднее за 2009-2010 гг.

Негативное влияние рецессивных аллелей аf и st на развитие корневой системы и ассимилирующей поверхности листьев отражается в снижении экологической устойчивости и урожайности усатых сортов гороха [32]. По нашим данным, трансформация листочков в усики сопровождается изменением целого ряда показателей водного обмена, с которыми связана экологическая устойчивость растений . В частности, усики отличаются от листочков более высокими значениями водного потенциала, остаточного водного дефицита, содержания свободной воды. В то же время, они характеризуются более низкими значениями содержания связанной воды, водоудерживающей способности в репродуктивный период, интенсивности транспирации, числа устьиц. Эти физиологические показатели имеют большое значение в поддержании водного гомеостаза растений, а их изменения определяют более высокую уязвимость усатых сортов к почвенной и воздушной засухе [33]. Также установлено, что изменение типа листа сопровождается нежелательным снижением показателей антиоксидантной системы, таких как активность пероксидазы и каталазы, содержание аскорбиновой кислоты и каротиноидов [34]. Эти особенности усатых сортов объясняют наблюдающееся более значительное снижение урожайности у них в засушливые годы, особенно когда засуха совпадает с критическими периодами развития растений. В то же время, при благоприятных погодных условиях современные усатые сорта формируют урожайность не ниже, чем листочковые, в силу своих улучшенных агроценотических свойств

Таким образом , интрогрессия мутантных генов в генотипы гороха зернового и овощного использования оказывает влияние на большое число морфологических и физиологических показателей , от которых зависит формирование урожая в благоприятных и стрессовых условиях среды . Положительные и отрицательные стороны , возможные риски насыщения генотипов рецессивными аллелями генов должны учитываться в селекционных программах при создании новых сортов .