CC BY
16
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ, 2011, № 5
УДК 635.128:631.52:575.224
ИЗМЕНЕНИЕ МОРФОЛОГИЧЕСКИХ ПРИЗНАКОВ У СЕЛЬДЕРЕЯ
КОРНЕВОГО ПРИ ИНДУЦИРОВАННОМ МУТАГЕНЕЗЕ
М.И. ИВАНОВА1, С.Л. КАРАНОВА2, В.А. ЛУДИЛОВ1
На трех сортах сельдерея корневого с разными сроками созревания (Ментор, Албин и Диамант) изучали влияние обработки сухих и набухших семян растворами ]]-нитрозо-]]-метил-мочевины на биометрические показатели растений в М1-М4 в зависимости от концентрации и длительности воздействия мутагена. Показано изменение соотношения между размерами стеблевой и корневой части у корнеплода, что позволяет в процессе селекции в М4 вследствие быстрого наступления гомозиготности по мутациям получить константные формы с округлым корнеплодом, очень низким расположением боковых корней, без пустотелости и блюдцевидности.
Ключевые слова: сельдерей корневой, индуцированный мутагенез, морфологические признаки, гомозиготность.
Keywords: celeriac, induced mutagenesis, morphological traits, homozygosity.
Сельдерей корневой относится к важнейшим овощным культурам и широко распространен в странах Европы и Северной Америки. Его товарное производство сосредоточено в зоне умеренного климата. В США площади под этой культурой занимают 10-18 тыс. га, потребление в свежем виде составляет 2,8-4,0 кг/год на человека (1). В России сельдерей выращивают в открытом и защищенном грунте в основном в Центрально-Черноземной зоне, в южных областях Нечерноземной полосы, на Кавказе, а также в Приморском крае (общая площадь — около 7 тыс. га). К сожалению, в Нечерноземной зоне эта культура не заняла надлежащего места в структуре посевных площадей, несмотря на благоприятные для реализации ее потенциала природные условия (2-5). Сельдерей корневой ценен высокими питательными, вкусовыми и лечебными свойствами (2, 3, 6, 7). На 2010 год в Государственный реестр селекционных достижений, допущенных к использованию в Российской Федерации, включены 16 сортов сельдерея корневого (8).
Основные требования к сортам корневого сельдерея — высокая урожайность, хорошая лежкость, светлый эпидермис без ржавой окраски, определенная форма корнеплода (гладкие, с малым числом и низким расположением боковых корней, округлые или бочкообразные). К дополнительным относятся устойчивость к стеблеванию, слабое поражение пятнистостью листьев, небольшая склонность к образованию «блюдец», незначительное потемнение при варке, отсутствие пустот. Перечисленным требованиям существующие сорта отвечают лишь частично (1, 9-12).
Целью нашей работы было изучение разнообразия растений сельдерея корневого по морфологическим и хозяйственно ценным признакам после обработки семян М-нитрозо-М-метилмочевиной (N-НММ). В России работы по индуцированному мутагенезу у сельдерея ранее не проводились.
Методика. Исследования выполняли во Всероссийском НИИ овощеводства (Московская обл.) в 2004-2010 годах на трех сортах сельдерея корневого — Ментор (раннеспелый), Албин (среднеспелый) и Диамант (позднеспелый) с использованием N-НММ, которая была синтезирована в Институте химической физики РАН (г. Москва).
В первом варианте опыта мутагеном воздействовали на сухие семена (продолжительность обработки — 5 ч, дозы N-НММ — 2,5; 10,0 и 50,0 мМ • ч), во втором — на семена, предварительно замоченные в воде в течение 24 ч (продолжительность — 1 ч, доза N-НММ — 2,0 мМ-ч); контроль — семена без обработки, в каждом варианте проанализировано по
200 шт. Семена высевали в растильни 15 февраля, сеянцы пикировали в кассеты 25 марта (размер ячейки 3^3 см, зимние пленочные обогреваемые теплицы), рассаду высаживали в открытый грунт 5 мая по схеме 70^25 см. Агротехника в опыте — общепринятая для Нечерноземной зоны России, почва — грунт из низинного торфа, дерновой земли, песка и опилок. При необходимости применяли дополнительное орошение (разовая норма 20 мм).
В 2004 году оценивали растения сельдерея корневого (М1) по морфологическим и хозяйственно ценным признакам (рост, развитие и урожайность, в том числе высота растений, длина листовой пластинки, число листьев на растении, масса листьев с одного растения, индекс корнеплода, варьирование соотношения размеров стеблевой и корневой части корнеплода), в 2005 году от высаженных в грунт маточников получали семена М2. В 20062007 и 2008-2009 годах аналогичным образом оценивали те же признаки у растений и получали семена (соответственно М2-М3 и М3-М4), в 2010 году растения М4, выращенные из семян М4, собранных в 2009 году, оценивали по комплексу морфологических и хозяйственно ценных признаков. В каждом варианте обработки семян мутагеном во все годы исследований анализировали по 60 растений. Кроме того, определяли сохранность корнеплодов после 6 мес хранения при температуре 1...2 °С и относительной влажности воздуха 95 % и последующее развитие маточников (высота семенника, число ветвей II и III порядков, число зонтиков на ветвях этих порядков).
Математическую обработку данных выполняли по общепринятым методикам (13).
Результаты. На основании результатов опытов по мутагенезу и селекции гормональных мутантов в культуре клеток табака и диоскореи, а также изучения влияния М-НММ на ризогенную культуру клеток живучки (14) было решено использовать не только малые (стимулирующие), но и ингибирующие рост дозы мутагена.
У сорта Албин в варианте с обработкой М-НММ сухих семян с увеличением дозы воздействия от 2,5 до 50,0 мМ • ч всхожесть семян повысилась с 48,5 до 67,5 % (в контроле — 53,1 %). Наибольшую всхожесть (75,6 %) отмечали при обработке набухших семян М-НММ (2,0 мМ • ч). У сорта Ментор в варианте с сухими семенами М-НММ эффект мутагена имел волновой характер. Ранее подобное отмечали С.Л. Каранова с соавт. (15) на культурах клеток растений под влиянием раствора М-НММ в диапазоне концентраций 0,1-32 мМ в течение 1 ч. У сорта Диамант максимальную всхожесть (72,9 %) регистрировали при дозе воздействия 2,5 мМ-ч. У двух последних сортов в варианте с набухшими семенами наблюдали ингиби-рование всхожести семян на 7-22 %.
В 2004 году (первый полевой сезон) при изучении биометрических показателей и урожайности растений сельдерея корневого в М1 проявились сортовая специфичность и эффект физиологического состояния семян, подвергшихся мутагенезу М-НММ, что было показано нами ранее (16). У сортов Ментор и Диамант сохранялся волновой характер изменений ростовых процессов в ответ на разные дозы М-НММ (особенно массы листьев с одного растения и корнеплода, что обусловливает эффективность фотосинтеза, ассимиляционную способность и, как следствие, общую продуктивность растений). Это, по-видимому, может быть следствием изменения гормонального статуса клеток и стимуляции формирования большего числа точек роста, что мы наблюдали ранее при работе с ризо-генной культурой клеток живучки (14). У сорта Албин в зависимости от способа обработки и дозы воздействия масса надземной части и корнеплода уменьшились на 30 % по сравнению с контролем.
После образования 3-4 сложных листьев у сельдерея за счет базаль-ной части первично утолщенного первичного корня (корневая часть), ги-покотиля (гладкая часть) и базальной части побегов (листовые рубцы) (стеблевая часть) формируется округлый сверху и конический снизу корнеплод (10). В наших опытах максимальное соотношение размера стеблевой и корневой части отмечали у сорта Диамант при обработке сухих семян N-HMM в варианте с 50 мМ-ч — 1,56:1 при Cv = 29,7 % (при обработке набухших семян — 1,43:1 и Cv = 33,3 %).
Маточники сельдерея корневого яровизируются при температуре 23 °С за 30-40 сут, период от конца яровизации до начала стеблевания на длинном дне составляет 40-50 сут (17, 18). В наших опытах при высадке маточников в 2005 году у раннеспелого сорта Ментор после 6-месячного хранения при температуре 2 °С в контроле показатель стеблевания у маточников равнялся 78,0 %, а во всех вариантах с обработкой сухих семян мутагеном сохранность корнеплодов составила от 82,7 до 94,3 %. У среднеспелого сорта Албин в контроле показатель стеблевания был равен 38,2 %, дозы N-HMM 2,5 и 10 мМ • ч способствовали его повышению до 100 %, 50 мМ • ч — до 91,5 %. С увеличением дозы воздействия высота семенника, число ветвей II и III порядков, число зонтиков на них уменьшались, в варианте 50 мМ-ч продуктивность семенника снижалась в 2,0 раза по сравнению со значением, зарегистрированным в варианте 2,5 мМ -ч. У позднеспелого сорта Диамант в контроле стеблевание было снижено (21,1 %), а усиление мутагенного воздействия (доза N-НММ 50 мМ -ч) способствовало повышению этого показателя до 36,2 %, причем волновой характер изменений ростовых процессов в ответ на разные дозы N-НММ сохранялся. При обработке набухших семян показатели увеличивались: по стеблеванию — в 2,5 раза, по числу ветвей I, II и III порядка — соответственно в 4,5; 4,0 и 2,2 раза, по числу зонтиков I, II и III порядка — в 4,8; 4,0 и 2,2 раза, из-за чего продуктивность (масса семян с растения) снизилась на 13,7 г по сравнению с контролем.
В М2 (2006 год) с увеличением дозы мутагена у всех сортов уменьшилась высота растений, а у сорта Албин — также длина листа, включая черешок. У сорта Диамант, наоборот, размер конечного листочка увеличился. Эффект N-НММ на число и массу листьев с одного растения был неоднозначным. С повышением дозы мутагена у сортов Ментор и Диамант увеличивалась высота стеблевой части корнеплода, тогда как у сорта Албин она, наоборот, уменьшалась. У сорта Албин образцы А 2/3 и А 3/3 в варианте с обработкой сухих семян (2,5 и 10 мМ • ч) имели наибольшее соотношение между стеблевой и корневой частью — соответственно 2,2:1 и 2,0:1. У сорта Диамант в этом же варианте при дозе воздействия 10 мМ • ч отмечали блюд-цевидность у 50 % корнеплодов, тогда как при обработке набухших семян соотношение стеблевой и корневой части в среднем составило 2,1:1 (наибольшую селекционную ценность представляли образцы Д 28/3 и Д 28/4 с показателем 2,7:1 при коэффициенте вариации соответственно 22,3 и 24,6 %). В 2007 году при высадке маточников в открытый грунт были выделены образцы А 2/3-1, А 3/3-1, Д 28/3-1 и Д 28/3-2 с ранними сроками созревания семян (с 29 августа по 8-12 сентября) и соотношением длины стеблевой и корневой части корнеплода более 2,0:1. В 2008 году проведенный биометрический анализ растений М3 показал, что у сорта Албин обработка сухих семян мутагеном (10,0 мМ • ч) способствовала увеличению высоты растения и длины листового черешка. Все дозы мутагена индуцировали увеличение ширины черешка на 0,3 см по сравнению с контролем. В варианте с набухшими семенами (2,0 мМ • ч) ширина черешка была больше, чем при обработке сухих семян: относительно контроля — на 0,4 см, относительно значений в ва-
риантах со всеми испытанными дозами М-НММ — на 0,1 см.
Была установлена тенденция к сохранению стимулирующего эффекта от обработки семян М-НММ в потомстве. Так, у сорта Албин в варианте с сухими семенами при дозе воздействия М-НММ 2,5 мМ • ч в М2 у образца А 2/3 соотношение размера стеблевой и корневой части было 2,2:1, в М3 у образца А 2/3-1 оно возросло до 2,7:1, при увеличении дозы мутагена (5,0 мМ-ч) в М2 и М3 у образцов А 3/3 и А 3/3-1 составило соответственно 2,0:1 и 2,8:1. У сорта Диамант при обработке набухших семян (2,0 мМ-ч) в М2 у образца Д 28/3 эта величина равнялась 2,7:1, в М3 у образцов Д 28/3-3 и Д 28/3-9 — соответственно 3,2:1 и 3,4:1. В то же время у сорта Ментор обработка семян М-НММ не давала устойчивого эффекта. Выявленная тенденция позволила проводить в М3 отбор ценных мутантов с округлыми корнеплодами, очень низким расположением боковых корней, без пустотелости и блюдцевидности.
Биометрическая характеристика надземной и подземной части у образцов сельдерея корневого сорта Диамант в М4 при обработке набухших семян N нитрозо-^метилмочевиной (Московская обл., 2010 год)
Показатель Образец
Д 28/к-1 (контроль без обработки) Д 28/3-9 (опыт)
Надземная часть:
высота растения, см 15,6±2,0 (12,8) 20,8±1,7 (8,2)
число листьев, шт. 9,8±2,1 (21,4) 12,1±2,3 (19,0)
длина черешка листа, см 10,1±2,4 (23,7) 14,3±2,6 (18,2)
ширина черешка листа, см 0,50±0,03 (6,0) 0,60±0,02 (3,3)
масса листьев с одного растения, г 252,1±56,7 (22,5) 376,4±51,3 (13,6)
Подземная часть (корнеплод):
масса, г 200,6±52,1 (30,0) 208,0±49,5 (23,8)
длина, см 7,4±0,5 (6,8) 8,0±0,5 (6,3)
диаметр, см 7,3±0,5 (6,8) 7,6±0,5 (6,6)
индекс 1,01±0,01 (1,0) 1,06±0,01 (0,9)
диаметр головки, см 2,5±0,5 (20,0) 2,5±0,5 (20,0)
длина базальной части, см 2,6±0,5 (19,2) 3,3±0,5 (15,2)
длина гипокотильной части, см 2,4±0,5 (20,8) 2,9±0,5 (17,2)
длина первичного корня, см 2,4±0,2 (8,3) 1,8±0,1 (5,6)
соотношение длины базальной, гипокотильной 35,1±6,4:32,4±6,3:32,5±1,640,9±6,6:36,0±6,2:23,1±1,0 части и первичного корня (18,2:19,4:4,9) (16,1:17,2:4,3)
Соотношение длины стеблевой и корневой части 2,1:1±0,2 (10,5) 3,3:1±0,2 (6,1)
П р и м е ч а н и е. Условия обработки мутагеном см. в разделе «Методика». Приведены значения Х±»% (в скобках указаны коэффициенты вариации — Су, %).
Сохранность помещенных в холодильную камеру маточников, которые были предназначены для высадки в открытый грунт в 2009 году, по всем образцам составила 100 %, однако после высадки семенники погибли от мокрой бактериальной гнили. Сохранился только образец Д 28/3-9 (сорт Диамант). В 2010 году он был высажен и оценен по основным морфологическим и хозяйственно ценным признакам в М4 по сравнению с контролем (табл.), что выявило его превосходство по всем показателям надземной части растения. У мутантной формы изменчивость биометрических показателей была ниже, чем у контрольного образца, причем слабо варьировали длина, диаметр, индекс корнеплода, длина первичного корня, соотношение длины стеблевой и корневой части (0,9-6,6 %), средней степенью варьирования характеризовались длина базальной и гипокотильной части (15,217,2 %), высокой — масса и диаметр головки (23,8 и 20,0 %) (см. табл.). Аналогичные результаты по константности генных мутаций в М3-М4 получены на озимой мягкой гексаплоидной пшенице (19).
Таким образом, обработка семян сельдерея корневого растворами нитрозометилмочевины привела к изменению соотношения длины стеблевой и корневой части корнеплода. При этом для мутантов характерно проявление константности с четвертого поколения (М4) в результате бы-
строго наступления гомозиготности по мутациям.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Р у б а ц к и й В.Е., К и р о с К.Ф., С а й м о н Ф.В. Морковь и другие овощные культуры семейства Зонтичных. М., 2007.
2. Г р е к о в И.М., П и в о в а р о в В.Ф., X а р ч е н к о В.А. Оценка и отбор исходного материала для селекции сельдерея на продуктивность и качество. Мат. докл., со-общ. Межд. симп. «Современное состояние и перспективы развития селекции и семеноводства овощных культур» (ВНИИССОК). М., 2005, т. II: 184-196.
3. Ц и у н е л ь М.М. Корневой сельдерей: биология и агротехника. Гавриш, 2007, 6: 4-6.
4. Л у д и л о в В.А., И в а н о в а М.И. Редкие малораспространенные овощные культуры (биология, выращивание, семеноводство): производственно-практическое издание. М., 2009.
5. Л у д и л о в В.А., И в а н о в а М.И. Все об овощах: Полный справочник. М., 2010.
6. Б о р и с о в В.А., Л и т в и н о в С.С., Р о м а н о в а А.В. Качество и лежкость овощей. М., 2003.
7. Л и т в и н о в С.С. Научные основы современного овощеводства. М., 2008.
8. Государственный реестр селекционных достижений, допущенных к использованию в Российской Федерации. М., 2010: 140.
9. M o r a v e c J., K v a s n i c k a S. Prispevek ke slechtitelskym metodam zlepseni jakosti bulvoveho celeru [Apium graveolens L. var. rapaceum (Mill.) Gaud.]. Bull. (Vyzk. Ustav Zelin. Olomouc), 1977, 19/20: 11-17.
10. К р у г Г. Овощеводство. М., 1998.
11. И в а н о в а М.И., Л у д и л о в В.А., Б у х а р о в А.Ф. Хозяйственно-биологическая оценка сортов сельдерея корневого в условиях Московской области. Мат. II Межд. науч.-практ. конф. «Современные тенденции в селекции и семеноводстве овощных культур. Традиции и перспективы». М., 2010, т. I: 313-317.
12. И в а н о в а М.И., Б у х а р о в А.Ф. Перспективные направления и результаты селекции сельдерея корневого. Мат. I Межд. науч.-практ. конф. «Современные тенденции в селекции и семеноводстве овощных культур. Традиции и перспективы». М., 2008, т. II: 138-143.
13. Д о с п е х о в Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований). М., 1985.
14. К а р а н о в а С.Л. Принципы получения практически ценных штаммов культивируемых клеток растений методом экспериментального мутагенеза. Автореф. докт. дис. М., 1999.
15. К а р а н о в а С.Л., Ш а м и н а З.Б., Б у т е н к о Р.Г. Волновой характер летального действия N-НММ на культивируемые клетки растений. Тез. докл. конф. по генетике соматических клеток в культуре. Черноголовка, 1993: 200.
16. И в а н о в а М.И., Л а р и о н о в а Т.В., К а р а н о в а С.Л., К о с т я н о вс к и й Р.Г., Л у д и л о в В.А. Влияние N-НММ на выживаемость разных сортов сельдерея. В сб. науч. тр.: Стратегия адаптивной селекции полевых культур в связи с глобальным изменением климата. Саратов, 2004: 388-389.
17. К р у ж и л и н А.С., Ш в е д с к а я З.М. Биология двулетних растений. М., 1966.
18. Л у д и л о в В.А. Семеноведение овощных и бахчевых культур. М., 2005.
19. Э й г е с Н.С., В о л ч е н к о Г.А., К у з н е ц о в а Н.Л., В а й с ф е л ь д Л.И., А р т а м о н о в В.Д., В о л ч е н к о С.Г. Химический мутагенез — эффективный метод И.А. Рапопорта в создании генетико-селекционного материала на озимой пшенице. Тр. по прикл. бот., ген. и сел., 2009, 166: 321-327.
1ГНУ Всероссийский НИИ овощеводства Россельхозакадемии, Поступила в редакцию 140153 Московская обл., Раменский р-н, д. Верея, 5мая 2009 года
e-mail: [email protected], [email protected];
2Учреждение Российской академии наук Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН, 127276 г. Москва, ул. Ботаническая, 35, e-mail: [email protected]
ABOUT CHANGES OF MORPHOLOGICAL CHARACTERISTICS IN ROOTED CELERY DURING INDUCED MUTAGENESIS
M.I. Ivanova1, S.L. Karanova2, V.A. Ludilov1 S u m m a r y
On three varieties of rooted celery with various time of ripening (Mentor, Albin and Diamant) the authors studied the effect of the treatment of dry and swollen seeds by N-nitroso-N-methyl urea solutions on biometric indices of M1-M4 plants in connection with concentration and duration mutagen application. As a result the ratio between the size of stem and root changes, that permit to obtain during breeding in M4 constant mutants with orbicular storage root, very low branch root, without hollowness and acetabuliform roots through rapid occurrence of homozygosity on mutations.
