CC BY
17
РАСТЕНИЕВОДСТВО
УДК 633.16:631.526.32
Форвард - сорт ярового ячменя регенерантного происхождения
Шуплецова Ольга Наумовна, кандидат биол. наук, ст. научный сотрудник, Щенникова Ирина Николаевна, доктор с.-х. наук, зав. лабораторией ФГБНУ «НИИСХ Северо-Востока», г. Киров, Россия
E-mail: [email protected]
Представлены результаты селекционной работы с использованием регенерантных линий RA 917-01, RA 780-04, RA 781-04 от исходного генотипа 999-93 ярового ячменя по созданию высокоурожайного сорта, устойчивого к повышенному содержанию ионов алюминия в кислых дерново-подзолистых почвах. Семенное потомство расте-ний-регенерантов в поколениях R3-R7 оценивали в лабораторных и полевых опытах. В рулонной культуре выявлено превышение индекса длины корней на 9,3-29% у генотипов регенерантного происхождения по сравнению со стандартным и исходным сортами. В полевых испытаниях показано преимущество всех регенерантных линий по уровню продуктивности и урожайности в условиях засухи 2010 г. Продуктивные показатели RA 780-04 и RA 917-01 были выше, чем в благоприятном 2009 году. На основе регенерантной линии RA 917-01 создан новый сорт ярового ячменя Форвард, характеризующийся высокой урожайностью, устойчивостью к комплексу абиотических и биотических стрессовых факторов. Сорт Форвард рекомендован к использованию на кислых дерново-подзолистых почвах Волго-Вятского региона. В конкурсных сортоиспытаниях урожайность сорта достигала 6,17 т/га, превышая стандарт в среднем на 0,61 т/га. За два года государственного сортоиспытания (с 2014 г.) на сортоучастках Архангельской области и Республики Коми Форвард превысил стандартный сорт Дина на 0,16 т/га при урожайности 2,74 т/га. Возделывание сорта Форвард обеспечивает снижение себестоимости на 7,2-11,1% и получение чистого дохода от 21,4 до 33,7 тыс руб./га (в ценах 2015 г.) в зависимости от условий выращивания.
Ключевые слова: яровой ячмень, почвенная кислотность, алюминий, регенерантные линии, засухоустойчивость, сорт, продуктивность, урожайность
Применение гибридизации и отбора в сочетании с прикладной биотехнологией является перспективным направлением интенсификации селекционного процесса [1]. В настоящее время для решения многих проблем практической селекции, в т.ч. для ускорения и расширения процесса отбора стрессоустойчивых форм используется хорошо разработанная система «растение-клетка in vitro-расте-ние» [2, 3]. Теоретической основой применения клеточных технологий в повышении устойчивости растений к неблагоприятным факторам среды является сомаклональная изменчивость, возникающая в процессе культивирования клеток и тканей на селективных средах под воздействием этих факторов и влияющая непосредственно на генетический аппарат клетки. К этому следует добавить, что признаки, проявляющиеся на уровне клетки, не всегда проявляются на уровне растений, т. к. механизмы адаптации клетки и организма к стрессам могут быть различны. Однако возможен отбор сомаклональных мутантов в культуре in vitro по признакам устойчивости к таким абиотическим стрессам, как кислотность почв, токсичность алюминия, засуха [4, 5], что особенно актуально для Нечерноземной зоны России.
Разработанная в Зональном научно-исследовательском институте сельского хозяйства Северо-Востока имени Н.В. Рудницкого (НИИСХ Северо-Востока) технология клеточного отбора исходного материала для селекции ячменя [6] позволяет в короткие сроки получить значительное количество сомакло-нальных вариантов, которые экспрессируют в потомстве повышенную устойчивость к кислотности почв и токсичности алюминия. Одним из факторов успеха технологии является создание оптимальных условий культивирования in vitro, обеспечивающих высокую регене-рационную способность каллусной ткани ячменя. Таким образом, количество регенерированных растений заданного генотипа достаточно для вовлечения в селекционный процесс и создания исходного материала для получения алюмоустойчивого сорта.
Цель исследований - изучить эффективность использования регенерантных линий ячменя в качестве исходного материала для создания сорта, толерантного к кислотности почв и токсичности алюминия.
Материал и методы. В качестве исходного материала для исследований использовали сорта ярового ячменя (Hordeum vulgare L.) из коллекции лаборатории селекции и первич-
ного семеноводства ячменя и регенерантные линии, полученные по методу, разработанному в лаборатории биотехнологии растений и микроорганизмов НИИСХ Северо-Востока [7] на основе сорта 999-93.
Краткая характеристика исходного сорта 999-93. Создан методом гибридизации сортов селекции НИИСХ Северо-Востока: алюмотолерантной линии 1200-85 (Luly x Conrad), выделенной в результате изучения в вегетационных емкостях на стрессовом фоне (рН 4,0-5,2 при А13+ 1,8 мг/кг почвы), и высокоурожайного сорта 2867-80.
Каллусные культуры индуцировали из незрелых зародышей на селективных средах Мурасиге и Скуга в условиях in vitro. В качестве селективных агентов вводили сульфат алюминия A12(SO4)3 x 18 H2O в количестве 20-40 мг/л при рН 3,8-4,0. Семенное потомство полученных in vitro растений-регенерантов в поколениях R3-R7 оценивали в лабораторных и полевых опытах. В рулонной культуре [8] проводили сравнительный анализ индекса длины корней (ИДК) проростков регенерант-ных и исходных форм на контрольном (рН 6,0; А13+0 мг/л) и стрессовом (рН 4,0; А13+15 мг/л) фонах. В полевых испытаниях сорта и регене-ранты изучали по полной схеме селекционного процесса, общепринятой для самоопылителей, по методике Государственной комиссии по сортоиспытанию [9] в 2009-2014 гг. в условиях конкурсного испытания на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве со слабокислой (рН 5,1...5,5; следы алюминия) и кислой (рН 3,8-4,5; А13+ 0,05.0,96 мг/кг почвы) реакцией среды; повторность - четырехкратная, учетная площадь делянки - 10 м2. В качестве стандартов использовали сорта Биос 1 и Нур.
Полевую засухоустойчивость (ПЗ) оценивали через степень снижения продуктивности в условиях засухи (Уз) 2010 г. по сравнению с продуктивностью в благоприятных условиях (Убл) 2009 г.:
ПЗ = (Убл. - Уз)/Убл х 100% [10].
Статистическую обработку данных проводили по методике Б.А. Доспехова [11] с использованием селекционно-генетической компьютерной программы «AGROS 2.07».
Результаты и их обсуждение. В результате проведения клеточной селекции с привлечением широкого набора сортов ячменя на селективных средах, имитирующих токсические условия кислых почв, были выделены каллусные линии сорта 999-93 со стабильно высокими показателями выживаемости (54,5-
58,9%) и регенерационной способности (13,627,2%). В каллусной ткани были регенерированы растения, на основе которых созданы регенерантные линии RA 917-01, RA 780-04, RA 781-04. Семенное потомство полученных ре-генерантов оценивали на различных этапах селекционного процесса.
В рулонной культуре проводили сравнительный анализ алюмоустойчивости исходной и регенерантных форм (табл. 1). Для повышения эффективности оценки использовали сорт стандарт Биос 1 и сорт сравнения Новичок, характеризующийся в условиях токсичности алюминия как устойчивый. Выявлено превышение ИДК на 9,3-29% у генотипов регенерантного происхождения, полученных в результате отбора in vitro каллусных культур на селективных средах с ионами Al3+ и H+ по сравнению со стандартным и исходным сортами. Одновременно установлено стимулирующее действие алюминия на прирост корневой системы у ли-нии-регенеранта 780-04 (ИДК = 1,11) и устойчивого сорта Новичок (ИДК = 1,20).
Таблица 1
Оценка семенного потомства растений-регенерантов и исходного сорта на алюмоустойчивость в рулонной культуре
Генотип Прирост корней (± к контролю), см ИДК
Биос 1, стандарт -0,9* 0,89
Новичок +1,3* 1,20
999-93 -1,0 0,86
RA 917-01 -0,4 0,94
RA 780-04 +0,9* 1,11
RA 781-04 -0,5 0,91
*достоверно отличается от исходного сорта при Р > 0,95
Регенерантные линии 917-01, 780-04, 781-04 далее изучали в полевых условиях. Регенерантные генотипы, прошедшие скрининг в селективных системах in vitro, имели преимущество перед исходным сортом по урожайности, особенно в экстремальных по температурному режиму и недостатку влаги условиях вегетации 2010 г. (табл. 2).
Обеспечение высокой урожайности регенерантных генотипов в условиях засухи свидетельствует об их возможной засухоустойчивости, что было подтверждено в последующих испытаниях. Объективным показателем, характеризующим способность генотипа не реагировать на стресс, является масса зерна
с колоса. У стандарта Биос 1 полевая засухоустойчивость по массе зерна с колоса составляла 32,2% при фактическом снижении продуктивности колоса на 0,57 г, у исходной формы 999-93 -11,4% и 0,09 г соответственно. Тогда как у ре-генерантных линий ЯЛ 917-01, ЯЛ 781-04 не выявлено существенного изменения признака под воздействием стресса (табл. 3).
Повышение урожайности по сравнению со стандартом (на 0,2 т/га) и наибольший уровень засухоустойчивости среди изучаемых генотипов выявлен у линии-регенеранта ЯЛ 78004. Продуктивные показатели этого генотипа (продуктивность колоса и растения, урожайность в целом) были выше, чем в благоприятном 2009 году, о чем свидетельствуют отрицательные значения ПЗ. Таким образом, регене-
рантные растения, в отличие от исходного сорта 999-93, в условиях стресса пострадали в меньшей степени, а в некоторых случаях, наоборот, повысили урожайность по сравнению со стандартом.
Таблица 2
Урожайность регенерантных линий на алюмокислой дерново-подзолистой почве
Генотип Урожайность
т/га % к исходному генотипу
999-93 - исходный сорт 4,7 -
917-01 - регенерант 5,3 112,8
780-04 - регенерант 5,1 108,5
781-04 - регенерант 5,1 108,5
Таблица 3
Полевая засухоустойчивость регенерантов ячменя, % (2010 г.)
Генотип Полевая засухоустойчивость, оцененная по
массе зерна с колоса массе зерна с растения урожайности
Биос 1, стандарт 32,2 42,2 35,3
999-93 11,4 47,2 21,4
RA 917-01 1,1 -16,8 14,1
RA 780-04 -38,0 -1,98 -4,08
RA 781-04 6,9 24,9 21,1
Высокая устойчивость к засухе регене-рантных линий, полученных на селективных средах с ионами алюминия в условиях in vitro, является примером неспецифической устойчивости, включение механизмов которой приводит к созданию форм с комплексной устойчивостью к стрессам различной природы.
Дальнейшее изучение регенерантных линий проходило в конкурсном испытании в 2009-2014 гг. по комплексу признаков. Генотипы RA 780-04 и RA 781-04 показали неста-Таблица 4
Результаты конкурсного испытания сорта Форвард
бильные результаты. На основе регенерантной линии ЯЛ 917-01 создан сорт, получивший название Форвард (заявка на патент № 65195/ 8558125, дата приоритета 18.11.2014 г.), в 2014 г. переданный на государственное сортоиспытание. Сорт формировал урожайность до 6,17 т/га, превышая стандарт от 0,27 до 0,61 т/га в зависимости от фона (табл. 4). В засушливых 2010 и 2013 гг. урожайность Форварда превышала стандарт на 0,45 и 1,20 т/га соответственно.
(2009-2014 гг.)
Генотип Урожайность, т/га Отношение к стандарту
2009 г. 2010 г. 2011 г. среднее т/га %
Кислый фон (рН3,8...4,5; А13+ 0,05..0,96мг/кг почвы)
Форвард 3,60 2,27 5,31 3,73 +0,27 108,0
Нур, стандарт 4,28 1,82 4,28 3,46 - -
НСР05 0,81 0,39 0,63
Слабокислый фон (рН 5,0.5,5)
2012 г. 2013 г. 2014 г. среднее т/га %
Форвард 6,17 5,30 5,04 5,50 +0,61 113,0
Нур, стандарт 6,14 4,10 4,44 4,89 - -
НСР05 Нет различий 0,29 0,47
Сорт Форвард является среднеспелым (в зависимости от погодных условий длина вегетационного периода составляла 77-78 дней - уровень стандарта), высокостебельным, имеет прочную соломину. При высоте растений на 10 см больше, чем у стандарта, сорт имеет высокую устойчивость к полеганию независимо от условий выращивания (табл. 5). Определяющим в получении высокого урожая на обо-
их фонах является хорошая выживаемость растений и продуктивная кустистость. У ячменя Форвард при ухудшении условий выращивания, на фоне повышенной кислотности почв, количество растений, сохранившихся к уборке, практически не изменилось (увеличилось на 3,3%), тогда как у стандартного сорта уменьшилось на 11,9%. Отмечена устойчивость к засухе в период налива зерна.
Таблица 5
Хозяйственно-биологическая характеристика сорта Форвард
Показатель Форвард Сорт-стандарт ± к стандарту
Слабокислый фон (рН 5,0.5,5)
Урожайность, т/га 5,50 4,89 +0,61
Вегетационный период, дни 77 79 -2
Продуктивная кустистость, шт. 2,91 2,00 +0,91
Количество зерен в колосе, шт. 20 20 0
Масса зерна с растения, г 2,0 2,1 -0,1
Масса 1000 зерен, г 45 52 -7
Высота растений, см 73 63 +10
Устойчивость к полеганию, балл 5,0 5,0 0
Сохранность растений к уборке, шт./м2 305 303 +2
Кислый фон (рН 3,8.4,5; А13+ 0,05..0,96 мг/кг почвы)
Урожайность, т/га 3,73 3,46 +0,27
Вегетационный период, дни 78 79 -1
Продуктивная кустистость, шт. 2,06 1,95 +0,11
Количество зерен в колосе, шт. 18 18 0
Масса зерна с растения, г 1,24 1,28 -0,04
Масса 1000 зерен, г 43,3 46,1 -2,8
Высота растений, см 71 56 +15
Устойчивость к полеганию, балл 4,9 4,9 0
Сохранность растений к уборке, шт./м2 315 267 +48
Высокая урожайность сорта сочетается с устойчивостью (поражение менее 1%) к пыльной головне, сетчатой и темно-бурой пятни-стостям листьев и средней устойчивостью к полосатой пятнистости (поражение 5-6%), поражению шведской мухой.
За два года государственного сортоиспытания в северных регионах страны (с 2014 г.) на сортоучастках Архангельской области и Республики Коми (1 регион) Форвард превысил стандартный сорт Дина на 0,16 т/га при урожайности 2,74 т/га.
Расчет экономической эффективности использования нового сорта показал, что возделывание сорта Форвард на благоприятном фоне обеспечивает снижение себестоимости на 7,2% по сравнению со стандартным сортом, на фоне повышенного содержания в почве ионов водорода и алюминия на 11,1%. Чистый
доход от использования сорта при выращивании элиты предполагается получать в размере 21,4 тыс. руб. /га (в ценах 2015 г.) на благоприятном фоне и 33,7 тыс. руб./га на почвах с повышенной кислотностью.
Заключение. На основе регенерантной линии ЯА 917-01, полученной методом клеточной селекции на селективных средах с ионами Н+ и А13+, создан новый высокоурожайный сорт ярового ячменя Форвард, характеризующийся комплексной устойчивостью к кислотности почв и засухе. Сорт Форвард рекомендован к использованию на кислых дерново-подзолистых почвах Волго-Вятского региона. Положительные результаты свидетельствуют об эффективности использования клеточных технологий в создании сортов сельскохозяйственных культур, толерантных к стрессовым факторам региона.
Список литературы
1. Шевелуха В.С. Проблемы, приоритеты и масштабы сельскохозяйственной биотехнологии в 21 веке // Сельскохозяйственная биотехнология. 2000. Т.1. С. 3-14.
2. Kuznytsov V.V., Shevyakova N.I. Stress responsess of tobacco cells to high temperature and salinity. Proline accumulation and phosphorylation of polipeptides // Physiologia Plantarum. 2001. V. 100. № 2. P. 320-326.
3. Muyuan Y.Z., Jianwei P., Lilin W. Mutation induced enhancement of Al tolerance in barley cell lines // Plant Sci. 2003. V. 164. P. 17-23.
4. Сидоров В. А. Биотехнология растений; клеточная селекция. Киев: Наукова думка, 1990. 280 с.
5.Taylor G.J. Overcoming barriers to understanding the cellular basis of aluminium resistance // Plant and Soil. 1995. V. 171. №1. Р. 89-103.
6. Шуплецова О.Н., Щенникова И.Н., Широких И.Г. Создание генотипов ячменя с комплексной устойчивостью к эдафическим стрессам методом клеточной селекции // Росийская с.-х. наука. 2015. № 1-2. С. 16-20.
Barley variety 'Forvard' of regenerant origin
Shupletsova O.N., PhD in biology, senior researcher Shchennikova I.N., PhD in agriculture, head of laboratory
North-East Agricultural Research Institute, Kirov, Russia
The results of breeding work on the creation of high-yielding spring barley varieties that are resistant to increased content of aluminium ions in acidic sod-podzolic soils with use of regenerant lines RA 917-01, RA 780-04, RA 781-04 from original genotype 999-93 were presented. Seed progeny of regenerated plants in generations R3 - R7 were evaluated in laboratory and field experiments. In a roll culture it was showed an excess of root length index by 9.3 - 29% for the genotypes of regenerant origin compared with the standard and the initial variety. In field tests the advantage of all regenerant lines on the level of productivity and yield in drought conditions of 2010. The productive indicators of RA 780-04 and RA 917-01 were higher than in favourable 2009. Based on regenerant line RA 917-01 a new variety of spring barley Forward was created. The variety has high productivity, resistance to complex of abiotic and biotic stressors.Variety Forward is recommended for use in acidic sod-podzolic soils of the Volga-Vyatka region. In competitive varietal tests the yield of varieties was made up 6.17 t/ha that is on average 0.61 t/ha higher than the previous standard. During two years of state tests (since 2014) on the stations of the Arkhangelsk region and the Komi Republic Forward exceeded standard variety Dina by 0.16 t/ha at yield of 2.74 t/ha. Cultivation of the variety 'Forvard' allows to reduce cost price by 7.2-11% and to obtain net income 21.4 up to 33.7 thousand rubles/ha (in prices of 2015) in dependence of growing conditions.
Key words: spring barley, soil acidity, aluminum, regenerant lines, drought resistance, variety, productivity, yield capacity
7. Шуплецова О.Н., Щенникова И.Н. Метод клеточного отбора в создании и оценке исходного материала для селекции ячменя, устойчивого к токсичности алюминия. Киров: ФГБОУ ВПО Вятская ГСХА, 2012. 40 с.
8. Лисицын Е.М. Методика лабораторной оценки алюмоустойчивости зерновых культур // Доклады РАСХН. 2003. № 3. С. 5-7.
9. Методика Госкомиссии по испытанию сельскохозяйственных культур. М.: Калининская областная типография, 1985. 389 с.
10. Головоченко А.П. Особенности адаптивной селекции яровой мягкой пшеницы в лесостепной зоне Среднего Поволжья. Кинель, 2001. 380 с.
11. Родина Н.А., Ефремова З.Г. Методические рекомендации по селекции ячменя на устойчивость к болезням и их применение в НИИСХ Северо-Востока. М.: ВАСХНИЛ, 1986. 79 с.
12. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований). М.: Агропромиздат, 1985. 351 с.
References
1. Shevelukha V.S. Problemy, prioritety i masshtaby sel'skokhozyayst-vennoy biotekhnologii v 21 veke. [Problems, priorities and the extent of the agricultural biotechnology in the 21st century]. Sel'skokhozyaystvennaya biotekhnologiya. 2000. V. 1. pp. 3-14.
2. Kuznytsov V.V., Shevyakova N.I. Stress responsess of tobacco cells to high temperature and salinity. Proline accumulation and phosphorylation of polypeptides. Phy-siologia Plantarum. 2001. V. 100. no. 2. pp. 320-326.
3. Muyuan Y.Z., Jianwei P., Lilin W. Mutation induced enhancement of Al tolerance in barley cell lines // Plant Sci. 2003. V. 164. pp. 17-23.
4. Sidorov V.A. Biotekhnologiya rasteniy; kletoch-naya selektsiya. [Plant Biotechnology; cell selection]. Kiev: Naukova dumka, 1990. 280 p.
5.Taylor G.J. Overcoming barriers to understanding the cellular basis of aluminium resistance. Plant and Soil. 1995. V. 171. no. 1. pp. 89-103.
6. Shupletsova O.N., Shchennikova I.N., Shiro-kikh I.G. Sozdanie genotipov yachmenya s kompleksnoy ustoychivost'yu k edaficheskim stressam metodami kletochnoy selektsii. [Creation of Barley Genotypes with Complex Resistance to Edaphic Stresses by Methods of Cell Culture]. Rossiyskaya sel'skokhozyaystvennaya nauka. 2015. no. 1-2. pp. 16-20.
7. Shupletsova O.N., Shchennikova I.N. Metod kletoch-nogo otbora v sozdanii i otsenke iskhodnogo mate-
riala dlya selektsii yachmenya, ustoychivogo k toksichnosti alyuminiya. [Method of cell selection in creation and estimation of initial material for breeding of barley resistant to aluminum toxicity]. Kirov: FGBOU VPO Vyatskaya GSKhA, 2012. 40 p.
8. Lisitsyn E.M. Metodika laboratornoy otsenki alyu-moustoychivosti zernovykh kul'tur. [Methods of laboratory estimation of aluminum resistance in cereals]. Doklady RASKhN. 2003. no. 3. pp. 5-7.
9. Metodika Goskomissii po ispytaniyu sel'skokho-zyaystvennykh kul'tur. [Methodics of State Commission for varietal test in agricultural crops]. Moscow: Kalininskaya oblastnaya tipografiya, 1985. 389 p.
10. Golovochenko A.P. Osobennosti adaptivnoy selektsii yarovoy myagkoy pshenitsy v lesostepnoy zone Srednego Povolzh'ya. [Features of adaptive breeding of spring soft wheat in forest-steppe zone of Middle Povolzh'e]. Kinel', 2001. 380 p.
11. Rodina N.A., Efremova Z.G. Metodicheskie rekomendatsii po selektsii yachmenya na ustoychivost' k boleznyam i ikh primenenie v NIISKh Severo-Vostoka. [Methodical recommendation on barley breeding for resistance to diseases and its using in North-East Agricultural Research Institute]. Moscow, 1986. 79 p.
12. Dospekhov B.A. Metodika polevogo opyta (s osnovami statisticheskoy obrabotki rezul'tatov issledovaniy). [Methods of field experiment (with basis of statistical processing of results)]. Moscow: Agropromizdat, 1985. 351 p.
