CC BY
35
Шимченко И.Б., Браткова Л.Г. i «Использование метода андрогенеза для расширения спектра...» j ■ й
lOHMM, ТЕХНОЛОГА У РЕЗУЛЬТАТУ ШЧШ ШШШШ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА АНДРОГЕНЕЗА ДЛЯ РАСШИРЕНИЯ СПЕКТРА ГЕНЕТИЧЕСКОГО РАЗНООБРАЗИЯ СОРТОВ ТРИТИКАЛЕ СЕЛЕКЦИИ СНИИСХ
И.Б. Шимченко, Л.Г. Браткова
THE METHOD OF ANDROGENESIS FOR BROADENING THE SPECTRUM OF TRITICALE SORTS GENETIC DIVERSITY SELECTED BY SSRIA (Stavropol Scientific Research Institute of Agriculture)
I.B. Shimchenko, L.G. Bratkova
The problems of triticale economic value as a new agricultural cereal obtained as the result of wheat and rye genomes combining are being viewed. New trends of am-phiploid selection improvement on the basis of traditional and modern biotechnological methods of parent material production, the method of anther culture in particular are being discussed. The scheme ofhaploid material production using local triticale sorts selected by SSRIA is presented, and the ways of its further use in the selection of rye-wheat hybrids are observed.
Рассматриваются вопросы хозяйственной ценности трититкале - новой сельскохозяйственной культуры/, полученной человеком в результате объединения геномов ржи и пшеницы. Обсуждаются основные направления селекционного улучшения амфиплоидов на основе традиционных и современных биотехнологических методов получения исходного материала, и в частности, метода культуры/ пы/льников. Приводится схема получения гаплоидного материала с использованием местных сортов тритикале селекции СНИИСХ, указываются способы! его дальнейшего использования селекции ржано-пшеничныэ/х гибридов.
УДК 633.19:631.524.85
Крупнейшим достижением современной селекции является создание целого ряда сортовз тритикале - нового сельскохозяйственного злака продовольственного, зернофуражного и кормового направления. Тритикале возделывают почти в 40 странах мира, при этом посевная площадь озимых и яровых форм достигла в последнее время 2 млн. га.
Интерес к данной культуре вызван уникальным сочетанием в ней целого ряда хозяйственно-биологических особенностей, присущих исходным видам - пшенице и ржи. К числу таких особенностей следует отнести высокий потенциал урожайности зерна и зеленой массы, повышенные адаптивные свойства (высокая зимостойкость, засухоустойчивость, нетребовательность к почвам), комплексный иммунитет к грибным заболеваниям, высокое содержание белка и лизина в зерне, а также основных питательных веществ в зеленой массе.
Однако, несмотря на достигнутые успехи, новая сельскохозяйственная культура нуждается в серьезной селекционной доработке. Существует целый ряд неотложных задач селекции тритикале, без которых пше-нично-ржаные гибриды не могут стать массовой продовольственной культурой. К числу таких задач следует отнести:
• повышение продуктивности растений;
• получение короткостебельных форм, устойчивых к полеганию;
• улучшение выполненности зерновки и повышение плотности семян;
^ 28/2001
|| Вестник Ставропольского государственного университета
• селектирование линий тритикале с неломким колосовым стержнем;
• создание форм с более коротким периодом вегетации и нейтральной реакцией на длину дня.
Необходимым условием повышения продуктивности тритикале является увеличение генетического разнообразия данной культуры всеми средствами с использованием рекомбинаций и различных методов получения мутаций. Подобного рода исследования в последние годы широко развернуты как у нас в стране, так и за рубежом.
Хорошая возможность для создания и отбора наиболее благоприятных сочетаний хромосом пшеницы и ржи существует благодаря методу, разработанному А.Ф. Шу-лындиным. При скрещивании стерильного гибрида мягкой пшеницы и ржи с гексапло-идным тритикале возникают различные типы гамет с различным балансом хромосом. Это, возможно, вследствие того, что функционирующими материнскими гаметами могут быть не только гаметы с полным набором хромосом ржи и пшеницы, т.е. с 28 хромосомами, но и гаметы с анеуплоидным числом, близким к 28. В случаях слияния спермия гексаплоидного тртикале с 21 хромосомой с последним типом гамет материнского растения допустимо возникновение большого формообразовательного процесса. Такие скрещивания приводят к появлению большого разнообразия форм, включая различного типа амфиплоиды, разные расщепляющиеся гибридные растения, а также разнообразные формы пшеницы и даже отдельные экземпляры ржи (А.Ф. Шулын-дин,1970).
Благодаря сочетанию многоколоско-вости ржи и многоцветковости пшеницы, тритикале обладает обширными потенциальными возможностями для дальнейшего повышения продуктивности. Селекция на многоколосковый, высокофертильный (3-4 зерна в колоске) колос, формирующий крупное (45-55 г), хорошо выполненное (88.5 балла) зерно позволит еще больше увеличить отрыв тритикале по признаку продуктивности от озимой пшеницы (Г.В. Щи-пак и др., 1997).
Что касается получения короткосте-бельных форм тритикале, то здесь существуют данные о том, что скрещивание с донорами генов карликовости иногда менее результативно, чем использование мутагенов. Это связано с тем, что при скрещивании могут вноситься гены, вызывающие стерильность гибридов, понижение продуктивности и ряд других нежелательных эффектов.
Вопрос подбора исходных генотипов по их влиянию на химический состав и технологические свойства продукции амфидип-лоидов изучен не достаточно подробно. Необходимы более тщательные исследования генетиков, биохимиков и технологов в этой области. Возможно, что методы мутационной селекции также могли бы способствовать решению указанной проблемы, поскольку именно использование данных методов привело к получению форм пшеницы с повышенным содержанием белка и отличным качеством клейковины.
Позднеспелость, характерная для тритикале, является одним из узких мест, препятствующих продвижению этих форм в производство. Длина вегетационного периода - генетический признак, и поэтому исследователям удалось ввести гены раннеспелости в некоторые сорта тритикале (линии Armadillo и Badger). Создание раннеспелых сортов тритикале, нечувствительных к длине дня, способно привести к резкому повышению пластичности амфидиплоидов (Б.В. Ригин, И.Н. Орлова, 1977).
По отношению к недостатку влаги и повышенной температуре воздуха, родительские виды тритикале - рожь и пшеница различаются между собой. Так, пшеница, в целом, более требовательна к влаге, хотя и есть различия в этом отношении между озимыми и яровыми сортами, а так же и сортами одного образа жизни. Рожь менее требовательна, но все же реагирует на почвенную и воздушную засуху. Недостаточно пластичные тритикале, особенно не подвергшиеся селекции, иногда снижают продуктивность даже при небольших погодных отклонениях (Л.К. Сечняк, Ю.Г. Сулима, 1984).
т
Шимченко И.Б., Браткова Л.Г. «Использование метода андрогенеза для расширения спектра...» | ■
Таким образом, не вызывает сомнений тот факт, что селекция тритикале на устойчивость к различного рода стрессам вполне перспективна и является существенной предпосылкой для повышения пластичности и продуктивности данной культуры (В.Е. Шевченко, С.В. Гончаров, 1997).
Селекционеры рассчитывают, что именно использование тритикале позволит расширить посевы зерновых культур в районах с неблагоприятными климатическими условиями, поэтому высокая зимостойкость и засухотолерантность - основные цели в селекции сортов озимого и ярового тритикале в России (Шленкер Р., Шекке Э., 1991).
Очевидно, что недостаточно высокая пластичность сортов и селекционных форм тритикале связана с ограниченным генетическим разнообразием исходного материала. Для улучшения тритикале необходимо обогащать генофонд этой культуры и повышать эффективность ее селекции самыми различными методами. Клеточные технологии, основанные на культивировании in vitro органов, тканей, клеток и изолированных протопластов высших растений, могут облегчить и ускорить традиционный селекционный процесс. Данные технологии в настоящее время уже широко используются для создания генетического разнообразия и отбора форм с искомыми признаками.
Методы выращивания клеток in vitro предоставляют возможность использования в селекционной практике нового типа изменчивости, так называемой сомаклональ-ной изменчивости. Так принято обозначать изменчивость обнаруживаемую у растений, полученных путем регенерации из каллус-ных клеток, культивируемых на твердых или жидких питательных средах.
Перенос клетки в искусственно созданные условия культуры устраняет влияние тканевых и организменных защитных и ре-гуляторных систем, обеспечивающих стабильность генома, что приводит к значительной цитогенетической вариабельности. Цитогенетическая изменчивость клеток зачастую столь разнообразна, что практически, по всем параметрам сопоставима, или даже превосходит изменчивость клеток,
подвергавшихся воздействию больших концентраций химических супермутагенов или высоких доз радиационного излучения. Причем клетки с измененными кариотипами в условиях культуры не всегда элиминируют из популяции, а, наоборот, в данной ситуации они могут успешно репродуцироваться и формировать фракцию в клеточной популяции (А.М. Бондаренко,1996). Кроме того, обнаружено, что, манипулируя составом питательной среды, можно целенаправленно влиять на генотипическую конституцию клеточной популяции (В.И. Малюк, М.К. Павлова, 1975).
Хотя механизмы, вызывающие сома-клональную изменчивость, окончательно не выяснены, очевидно, что одной из причин, вызывающих изменчивость регенрантов, является кариотипиченская разнокачествен-ность популяций культивируемых клеток. Есть основания полагать, что амплификация, или редукция числа генов, транспозиционные феномены и соматический кроссинговер могут играть существенную роль среди причин, обусловливливающих сомаклональную изменчивость.
Среди современных биотехнологических методов, способных решить проблему расширения спектра наследственной изменчивости, немаловажную роль играет метод культуры пыльников. Для растений с высоким уровнем плоидности (пшеница, тритикале) данный метод имеет особые преимущества, так как все индуцированные мутации могут быть своевременно подвергнуты скринингу в соответствии с наблюдаемым фенотипом.
Метод андрогенеза состоит в том, что на питательные среды помещают пыльники, содержащие микроспоры на определенной стадии развития (как правило, это стадия одноклеточной вакуолизированной микроспоры). Часть микроспор, попадая в стрессовые условия, развивается по спорофитно-му пути и формирует каллусные структуры, которые при перереносе на регенерацион-ные среды дают начало растениям (регене-рантам), имеющим различный хромосомный набор. Большая часть из них является гаплоидами, и, кроме этого, образуются анеуп-
28/2001
Вестник Ставропольского государственного университета
лоидные и дигаплоидные формы. По общепринятой схеме полученные растения кол-хицинируют с целью удвоения хромосомного набора и переведения генов в гомозиготное состояние.
В отделе биотехнологии Ставропольского НИИ сельского хозяйства проведена работа по разработке технологии получения исходного материала для селекции тритикале на основе метода культуры пыльников. Разработанная схема включает следующие этапы:
1. Отбор донорных растений из числа сортов, обладающих высоким андрогенетиче-ским потенциалом. (Среди изученных 18 сортов тритикале местной селекции выявлены 5, характеризующиеся стабильно высокими показателями каллусогенеза и регенерации.)
2. Предобработка донорных колосьев при температуре 4оС в течение 3-14 суток.
3. Стерилизация пыльников внутри колосовых чешуй в 70% спирте, а затем - в 8% растворе хлорамина.
4. Посадка пыльников на питательные среды N-6 и Potato (Pt), содержащие в качестве источника углеводов сахарозу или глюкозу. (Плотность посадки - 6 пыльников на 1 мл среды.)
5. Культивирование высаженных пыльников при температуре 27-28оС в течение 4-8 недель до появления новообразований.
6. Пересадка образовавшихся структур на регенерационную среду с целью получения зеленых растений.
7. Размножение полученных растений путем отделения образующихся побегов и помещения их на безгормональную среду для укоренения.
8. Адаптация регенерантов (при температуре 14-16оС на растворе Кноппа).
9. Перенос растений в горшочки с почвен-но-торфяной смесью для искусственной яровизации.
10. Высадка растений в поле.
Принципиальным отличием проводимых исследований является то, что полученные регенеранты, не подвергаясь кохицини-рованию, после искусственной яровизации, высаживаются в поле, где они опыляются с
целью получения генетически разнообразного семенного потомства. Данное разнообразие возникает как за счет описанной выше сомаклональной изменчивости, затрагивающей все уровни генетической организиции (генный, хромосомный и геномный уровень), так и за счет комбинативной изменчивости, обусловленной слиянием генетически разнородных гамет. О существенных изменениях в генетическом аппарате регенерантов (Ri) свидетельствуют их значительные морфологические отличия от растений исходных сортов. Различный уровень плоид-ности проявляется в наличии стерильных и частично стерильных образцов с недоразвитыми пыльниками, а также - фертильных, пыльники которых хорошо развиты, а колосья имеют высокую степень озерненности как при свободном способе опыления, так и при самоопылении.
Несмотря на довольно низкий процент выживаемости регенерантов, на сегодняшний день получено довольно многочисленное потомство (R2), выросшее из семян, образовавшихся в результате опыления расте-ний-регенерантов (R1). Среди полученных форм проводится работа по выявлению образцов, обладающих вышеперечисленными селекционно-ценными признаками, с целью включения их в дальнейший селекционный процесс.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бондаренко A.M. Клеточные технологии и сомаклональная изменчивость в селекции пшеницы // Физиология и биохимия культ. растений.
- 1996. - Т. 28. -№3.~ С. 183-193.
2. Малюк В.И., Павлова М.К. Новый подход к управлению прогрессией плоидности растительных клеток in vitro // IV Всесоюзное совещание по плоидности: Тезисы докладов. - Киев: Науко-ва думка, 1975. - С. 76-77.
3. Ригин Б.В., Орлова И.Н. Пшенично-ржаные амфидиплоиды. - Л.: Колос, 1977. - 279.
- С. 188-214.
4. Шевченко В.Е., Гончаров С.В. Состояние и перспективы селекционной работы по тритикале в России // Биологические основы и методы селекции и семеноводства культурных растений. -Воронеж, 1997. - С.30-38.
Шимченко И.Б., Браткова Л.Г. «Использование метода андрогенеза для расширения спектра...»
5. Шленкер Р., Шекке Э. Успехи в селекции тритикале — результат международного сотрудничества // Международный агропромышленный журнал. — 1991. —№ 1. % С.43-45.
6. Шулындин А.Ф. Синтез трехвидовых пше-нично-ржаных амфидиплоидов // Генетика. — 1970.—№6. — С.23-25.
7. Щипак Г.В., Шевченко Н.С., Иванченко Э.Г. Продуктивность озимых сортов тритикале Харьковской селекции // Зерновые культуры. — 1997. — + 4. — С. 13-14.
Шимченко Инна Борисовна - ассистент кафедры общей биологии Ставропольского государственного университета. Область научных интересов - сельскохозяйственная биотехнология, селекция, генетика, цитология. Автор 10 научных работ.
Браткова Любовь Гавриловна - зав. отделом биотехнологии Ставропольского НИИ сельского хозяйства, кандидат биологических наук. Область научных интересов - сельскохозяйственная биотехнология, цитология, генетика, искусственный мутагенез. Автор более 40 печатных работ.
* * *
