CC BY
30
РАСТЕНИЕВОДСТВО
УДК 631.527:631.526.32:633.14
Методические подходы к созданию популяционных сортов озимои ржи разного целевого назначения*
Уткина Елена Игоревна, кандидат биол. наук, зав. отделом озимой ржи, Войлоков Анатолий Васильевич*, доктор биол. наук, доцент, зав. лабораторией, Кедрова Лидия Ивановна, доктор с.-х. наук, вед. научный сотрудник, Чугунова Нина Владиславовна, научный сотрудник ФГБНУ «НИИСХ Северо-Востока», Киров, Россия,
* Санкт-Петербургский филиал ИОГен РАН, г. Санкт Петербург, Россия
E-mail: utkina.e.i@mail.ru; E-mail: av_voylokov@mail.ru
Предложена схема селекции, предназначенная для улучшения и дифференциации короткостебельных популяционных сортов ржи, с целью получения потомств разного целевого назначения. Схема включает в себя оценку и отбор потомств от самоопыления получаемых ежегодно сорто-линейных возвратных гибридов. Источником автофертильности служит длинностебельная по генотипу линия, несущая мутацию автофертильности, маркированная изозимным локусом В прямые и возвратные скрещивания вовлечены лучшие по вегетативным признакам короткостебельные растения исходной популяции. Отбор проведен среди константных по высоте инбредных потомств по признакам, определяющим урожайность, устойчивость к полеганию, болезням и целевое назначение сорта, в последовательных поколениях возвратных гибридов. При накоплении потомств с характеристиками, удовлетворяющими требованиям селекции формируемых сортов, проводится переопыление предварительно отобранных гетерозигот по автофертильности. В полученном потомстве выделяют по маркёру самонесовместимые растения, перекрёстное опыление которых позволяет получить гетерозисные субпопуляции, константные по короткостебельности, дифференцированные по показателям качества, характеризующиеся экологической пластичностью и улучшенными характеристиками устойчивости и урожайности. Одновременно создают автофертильные аналоги открытоопыляемых субпопуляций, в которых благодаря проводимому отбору, как и в самих субпопуляциях, повышена концентрация аллелей генов, отвечающих за отбираемые признаки. Эти аналоги могут быть использованы при повторных циклах отбора и как исходный материал для селекции сортов-гибридов. Для проверки эффективности схемы провели анализ биохимических показателей зерна 122 перспективных инбредных потомств, полученных на основе сорта Снежана Выделено 17 образцов с повышенным содержанием белка, 20 - с наибольшим содержанием крахмала, 14 образцов с наибольшим и 18 - с наименьшим по сравнению со средним значением по питомнику содержанием водорастворимых пентозанов. Часть потомств сочетает показатели, удовлетворяющие требованиям селекции сортов хлебопекарного и фуражного направлений.
Ключевые слова: озимая рожь, селекция открытоопътяемых сортов, качество зерна, отбор инбредных потомств, изозимный маркёр
Пищевые и кормовые качества зерна ржи определяются содержанием белка, крахмала, пентозанов, пищевых волокон, жиров, витаминов и микроэлементов [1]. Для наиболее эффективного использования достоинств этой культуры необходимо создание сортов специального назначения, удовлетворяющих требованиям пищевой, хлебопекарной, фуражной, спиртовой и крахмалопаточной промышленности. Создание таких сортов сопряжено с совершенствованием методов селекции ржи. Известны два основных типа сортов ржи - открытоопыляемые сорта-популяции и сорта-гибриды, создаваемые на основе ав-тофертильных инбредных линий [1]. Самоопыление позволяет вскрыть гетерозигот-
ность растений ржи по рецессивным аллелям генов, дифференцировать популяцию на ин-бредные линии с разным сочетанием доминантных и рецессивных генов, отвечающих за признаки, определяющие урожайность, устойчивость к полеганию и болезням, качественные характеристики зерна. Ранее был предложен способ, позволяющий использовать автофертильность и основанный на ней высокоэффективный индивидуальный отбор, для селекции открытоопылямых сортов популяций [2]. Способ предназначен для улучшения и дифференциации сортовых популяций ржи на сорта разного целевого назначения на основе генетического маркирования мутации автофертильности.
* Работа поддерживается из средств программы Президиума РАН подпрограммы «Генофонды живой природы и их сохранение»
Однако это предложение не применимо в его оригинальном виде к улучшению и дифференциации сортов-популяций, полученных на основе гена доминантной короткостебель-ности. Вместе с тем сорта-популяции, полученные на основе гена доминантной коротко-стебельности, составляют около 70% всего сортимента ржи России. В этих популяциях наблюдается полиморфизм по рецессивной аллели длинностебельности и устранение этого полиморфизма представляет самостоятельную проблему. Анализ данных литературы позволяет заключить, что сорта-популяции озимой ржи не исчерпали своего потенциала и при внедрении предлагаемой схемы их улучшения могут стать в России альтернативой сортам-гибридам, требующим создания дорогостоящей, высокотехнологичной инфраструктуры [3, 4]. Основой для внедрения импортозамещающих схем селекции, основанных на получении и анализе инбредных потомств, могут служить современные, гетерогенные сорта ржи, созданные и районированные во многих регионах России.
Цель исследований - усовершенствование ранее предложенной схемы селекции по улучшению сортов-популяций, созданных на основе донора доминантной короткостебель-ности, и проверка эффективности этой схемы в отношении дифференциации сорта Снежана на инбредные потомства, различающиеся по признакам качества зерна.
Материал и методы. Работа проведена в 2010-2015 гг. на опытном поле ФГБНУ «НИИСХ Северо-Востока» (г. Киров). Материал исследований - гибриды высокоинбред-ной линии Ст-194 и сорта озимой ржи Снежа-на. Короткостебельный сорт Снежана создан методом многократных отборов устойчивых биотипов на инфекционных фонах Micro-dochium nivale (Fusarium nivale (Fr.) Ges.) и контролируемых переопылений. Сорт характеризуется устойчивостью к полеганию, комплексной толерантностью к снежной плесени, мучнистой росе и бурой ржавчине [5]. Линия Ст-194 получена профессором А. Мюнтцин-гом (A. Muntzing) инбридингом от растения сорта Сталь (Steel) [6]. Линия прошла более 30 поколений строгого самоопыления, и к моменту скрещивания с растениями сорта Сне-жана поддерживалась путём групповой изоляции. Отличительной морфологической особенностью этой линии является расположение укороченных листьев под острым углом к стеблю, она гомозиготна по рецессивной алле-
ли гена короткостебельности Hl (Ddw1). Линия Ст-194 предложена в качестве донора автофертильности, благодаря тому, что у неё идентифицирована мутация автофертильности (самосовместимости) в локусе S, тесно сцепленная с редкой аллелью изозимного маркера Prx7 в положении притяжения [2]. Таким образом, эта аллель служила маркёром автофертильности в контролируемых скрещиваниях линии с самонесовместимыми растениями популяции Снежана.
С 2010 г. закладывали питомники изучения инбредных семей, полученных путем самоопыления гибридов от возвратных скрещиваний сортолинейных гибридов F1 на родительский сорт Снежана. Предварительно, до изоляции, среди гибридов с помощью изо-зимного маркера был проведен отбор автофер-тильных растений. Зерно для анализа получено при свободном опылении растений, составляющих инбредные потомства. Площадь делянки составляла 1 м2. На каждую делянку было высеяно по 50 семян.
Биохимический анализ зерна 122 ин-бредных семей, выделенных по комплексу показателей, проведен в аналитической лаборатории НИИСХ Северо-Востока. Определяли крахмал - методом поляриметрии [7]; сырую клетчатку - по Геннебергу (в модификации ЦИНАО) [8]; сырой жир по Рушковскому [9]; сырую золу [10]; кальций - комплексономет-рически с трилоном Б [11]; фосфор - ванадие-вомолибдатным методом; калий - методом пламенной фотометрии [12]; пентозаны водорастворимой фракции - орцинолхлоридным методом Albaum и Umbreit, модифицированным S. Hashimoto, M. D. Shogren, Y. Pomeranz (Cereal Chem., 1964) [13].
Результаты и их обсуждение. Авто-фертильная линия Ст-194, несущая редкую аллель маркёра, гомозиготна по рецессивной аллели длинностебельности. В соответствии с предложенной схемой селекции [2] это должно вести к расщеплению по короткостебельно-сти в инбредных потомствах, получаемых от самоопыления гибридов между растениями популяции и автофертильной линией. Для получения потомства, гомозиготного по доминантной аллели гена короткостебельности, необходимо провести дополнительное самоопыление, что усложняет работу по предложенной схеме и ведёт к увеличению инбред-ной депрессии.
При совершенствовании схемы селекции был учтен и полиморфизм короткостебельных
сортов по рецессивной аллели длинностебель-ности. В первый год проводят скрещивания лучших по вегетативным признакам коротко-стебельных растений сорта с длинностебель-ной линией. Полученные гибридные семена высевают для дальнейших исследований.
На второй год среди гибридов отбирают лучшие, хорошо раскустившиеся короткосте-бельные растения - гетерозиготы по автофер-тильности и короткостебельности. Часть колосьев каждого растения кастрируют и опыляют смесью пыльцы, собранной с лучших короткостебельных растений исходного сорта. Остальные колосья изолируют для получения инбредных потомств. Третью часть семян каждого потомства, полученного методом инбридинга, высевают в питомник изучения, остальные являются резервом для повторного испытания и создания на основе результатов анализа субпопуляций разного целевого использования. Семена, завязавшиеся на кастрированных колосьях, высевают посемейно в селекционном питомнике для дальнейшей работы.
На третий год в питомниках изучения проводят оценку инбредных потомств по зимостойкости, урожайности, расщеплению по короткостебельности (около половины семей не должны расщепляться по высоте), устойчивости к полеганию и болезням. В дальнейшем на основе лучших семей, используя резерв семян и данные по биохимическим показателям качества зерна, возможно получение константных короткостебельных субпопуляций.
В селекционном питомнике, благодаря независимому комбинированию автофертиль-ности и короткостебельности, каждая семья должна включать шесть генотипов. До цветения с помощью маркера отбирают гетерозиго-ты по автофертильности и удаляют длинносте-бельные растения. На лучших короткостебель-ных растениях проводят кастрацию колосьев с последующим опылением пыльцой исходного сорта и изоляцию остальных колосьев для получения инбредного потомства. Гибридные семена снова высевают посемейно и повторяют цикл - самоопыление, отбор и скрещивания в ряде последующих лет с целью накопления потомств с характеристиками, определяющими различные назначения сорта.
При накоплении числа семей, достаточного для формирования таких субпопуляций, проводят их повторную оценку с целью отбора семей лучших по оцениваемым показателям в других условиях выращивания. Отобранные семьи высевают на изолированных участках,
где создают условия для переопыления растений. Полученные таким образом семена высевают и проводят анализ по маркеру автофер-тильности. После генотипирования растений по маркеру все гомо- и гетерозиготы по редкой аллели маркера удаляют или пересаживают. В итоге на делянке остаются и переопыляются только самонесовместимые растения, которые происходят от семян, завязавшихся при перекрестном опылении. Параллельно с созданием самонесовместимых популяций проводится работа по получению автофертильных аналогов этих субпопуляций. Такие субпопуляции можно создать путем групповой изоляции гомозигот по редкой аллели маркера на этапе переопыления инбредных семей, отсаживая и изолируя лучшие автофертильные растения. Автофертильные аналоги можно использовать для дальнейшего селекционного улучшения субпопуляций согласно предлагаемой схеме. Эффективность данной работы будет выше, так как самонесовместимые субпопуляции и их автофертильные аналоги в данном случае свободны от вредных мутаций, а частота благоприятных аллелей в них повышена по сравнению с исходной популяцией. Важным преимуществом предлагаемой схемы по сравнению с ранее опубликованной [2] является оценка инбредных потомств и исходного сорта в течение нескольких последовательных лет, в разных агрометеорологических условиях. Как следствие каждый год отбирают потомства, наиболее полно реализующие свой геноти-пический потенциал в конкретных условиях среды, а из популяции извлекают аллели с соответствующим эффектом. Итоговое объединение и переопыление таких потомств должно придавать создаваемым популяциям популяционный гомеостаз в отношении реализации признаков урожайности, устойчивости и качества.
За период наблюдений в полевых условиях по комплексу признаков изучено более 450 инбредных потомств от возвратных гибридов первого поколения (Снежана х линия Ст-194) х Снежана. Среди них выделено 122 перспективных, зерно которых прошло полный биохимический анализ (табл. 1).
Отмечена высокая степень варьирования инбредных потомств по содержанию жиров, водорастворимых пентозанов, клетчатки (коэффициент вариации 24,94-37,25%) и средняя степень варьирования по содержанию фосфора, калия, кальция и зольности (коэффициент вариации 9,59-17,00%). Наибольшей стабильностью характеризуются
показатели содержания белка и крахмала. Различия в варьировании показателей позволили выделить линии, которые могут служить исходным материалом для селекции сортов озимой ржи различного назначения. Из 122 образцов выделено 17 - с повышенным содержанием белка, 20 - с наибольшим
содержанием крахмала, 14 образцов с наибольшим и 18 - с наименьшим по сравнению со средним значением по питомнику содержанием водорастворимых пентозанов. Часть потомств сочетает показатели, удовлетворяющие требованиям селекции сортов хлебопекарного и фуражного направлений.
Таблица 1
Характеристика инбредных потомств по биохимическим показателям качества зерна, %
Показатель Среднее Пределы Коэффициент
варьирования вариации
Белок 14,45 11,95-19,03 8,03
Крахмал 42,97 34,88-50,58 7,05
Жиры 1,14 0,28-2,37 37,25
Водорастворимые пентозаны 2,04 1,08-4,42 27,02
Клетчатка 1,05 0,52-1,74 24,94
Зольность 2,2б 1,80-3,33 9,59
Фосфор 0,49 0,19-0,б0 1б,04
Калий 0,5б 0,33-0,78 13,бб
Кальций 0,07 0,05-0,13 17,00
Выводы. Предложена схема селекции сортов-популяций ржи, позволяющая использовать однократное самоопыление возвратных сортолинейных гибридов для совершенствования и дифференциации короткосте-бельных сортов ржи на сорта разного целевого назначения.
Изучено более 450 инбредных потомств от возвратных гибридов первого поколения (Снежана х линия Ст-194) х Снежана, выделено 122 перспективных с комплексом хозяйственно ценных признаков.
На примере короткостебельного сорта Снежана показана успешная дифференциация 122 инбредных потомств в отношении биохимических показателей качества зерна с использованием предложенной схемы селекции. Выделены источники высокого содержания белка и крахмала, высоко- и низкопентозановые образцы для дальнейшей селекционной работы.
Список литературы
1. Культурная флора СССР. Рожь. Т. 2. ч. 1 / Отв. ред. В.Д. Кобылянский. Л.: Агропромиздат, 1989. 368 с.
2. Войлоков А.В. Перспективы использования автофертильности в селекции сортов-популяций у ржи // Генетика. 2007. Т. 43. С. 1402-1410.
3. Kutka F. Open-pollinating vs. hybrid maize cultivars. Sustainability. 2011. V. 3. P. 1541-1553.
4. Wricke G. Comparison of selection based on yield of half sib progenies and of Ii lines per se in rye Secale cereale L. //Theor. Appl. Genet. 1976. V. 47. P. 265-269.
5. Уткина Е.И. О методах и результатах селекции озимой ржи в НИИСХ Северо-Востока // Методы и технологии в селекции растений: Материалы Всеросс. научн.-практ. конфер. с международным участием. Киров: НИИСХ Северо-Востока, 2014. С 17-24.
6. Смирнов В.Г., Соснихина С.П. Генетика ржи. Л.: Изд-во ЛГУ, 1984. 264 с.
7. ГОСТ 10845-98. Зерно и продукты его переработки. Метод определения крахмала. Минск, 2009. 4 с.
8. ГОСТ 13496.2-91. Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Метод определения сырой клетчатки. М., 2002. 6 с.
9. ГОСТ 13496.15-97. Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Методы определения содержания сырого жира. М., 2011. 10 с.
10. ГОСТ 26226-95. Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Методы определения сырой золы. Минск, 2003. 6 с.
11. ГОСТ 26570-95. Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Методы определения кальция. Минск, 2003. 14 с.
12. ГОСТ 26657-97. Корма, комбикорма, комбикормовое сырье. Метод определения содержания фосфора. Минск, 1997. 10 с.
13. Hashimoto S., Shogren M. D., Pomeranz Y. Cereal Pentosans. Their Estimation and Significance. -Pentosans in Wheat and Milleed Wheat Products // Cereal Chem. 1964. Vol. 1. P. 30-34.
ArpapHaa HayKa EBp0-CeBep0-B0CT0Ka, № 6 (55), 2016 r.
Methodical approaches on creation of winter rye population varieties for different goal directions
Utkina E.I., PhD in biology, head of department of winter rye, Voylokov A.V.*, DSc in biology, associated professor, head of laboratory, Kedrova L.I., DSc in agriculture, leading researcher, Chugunova N.V., researcher, North-East Agricultural Research Institute, Kirov, Russia,
*Saint-Petersburs branch, Institute of General Genetics, Russian Academy of Sciences
The breeding scheme is designed for improvement and differentiation of short-stem rye population varieties for obtaining progenies of different goal directions. The scheme includes testing and selection of inbred progenies originated from self-pollination of annually produced backcrosses. The source of the self-fertility is a line of long-stem genotype carrying mutation of self-fertility marked with isozyme locus. The best in vegetative traits short-stem plants of the initial population are involved in direct and back crosses. The selection is carried out among the inbred progenies constant for the traits determining productivity, lodging and diseases resistance, and goal direction in successive generations of backcrosses. A cross pollination of pre-selected plants heterozygous on self-fertility is carried out at accumulation of progenies having characteristics which meet requirements for selection of forming varieties. In the obtained offspring self-incompatible plants are selected by marker. Cross-pollination of these offspring permits to get heterotic sub-populations constant for short-stem, differentiated for quality, characterized by ecological plasticity and improved performance of resistance and productivity. Simultaneously self-fertile analogs of open-pollinated sub-populations are created in which concentration of genes responsible for selected traits is increased owing to selection as well as in initial sub-populations. These analogs could be used at repeated cycles of selection and as initial material for breeding of hybrid varieties. For test of efficiency of the scheme the analysis of biochemical characters determining grain quality is carried out in 122 inbred progenies produced on the basis of variety Snezhana. Seventeen genotypes are selected having increased protein content, 20 - having highest starch content, 14 - having highest content of soluble pentosans among all nursery, and 18 - having lowest content of soluble pentosans. The part of progenies combines the characters meeting requirements of breeding for baking and forage.
Ke ywords: winter rye, breeding of open-pollinating varieties, grain quality, selection of inbred progenies, isozyme marker
References
1. Kul'turnaya flora SSSR. Rozh'. [Cultural flora of the USSR. A rye]. Vol. 2 . Pt. 1. Otv. red. V.D. Kobylyanskiy. Leningrad: Agropromizdat, 1989. 368 p.
2. Voylokov A.V. Perspektivy ispol'zovaniya avtofertil'nosti v selektsii sortov-populyatsiy u rzhi. [Prospects of use of self-fertility in selection of population-varieties at a rye]. Genetika. 2007. Vol. 43. pp. 1402-1410.
3. Kutka F. Open-pollinating vs. hybrid maize cultivars. Sustainability. 2011.Vol.3. pp.1541-1553.
4. Wricke G. Comparison of selection based on yield of half sib progenies and of I1 lines per se in rye Secale cereale L. Theor. Appl. Genet. 1976. Vol. 47. pp. 265-269.
5. Utkina E.I. O metodakh i rezul'tatakh selektsii ozimoy rzhi v NIISKh Severo-Vostoka. [About methods and results of a winter rye breeding in the North-East NIISH]. Metody i tekhnologii v selektsii rasteniy: Materialy Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem. [Methods and technologies in plant breeding: Materials of the All-Russia scientifically-practical conference with the international participation]. Kirov: NIISKh Severo-Vostoka, 2014. pp 17-24.
6. Smirnov VG, Sosnikhina S.P. Genetika rzhi. [Genetics of a rye]. Leningrad: Izd-vo LGU, 1984. 264 p.
7. GOST 10845-98. Zerno i produkty ego pererabotki. Metod opredeleniya krakhmala. [State Standart 10845-98. Cereals and cereal milled products. Method for determination of starch].Minsk, 2009. 4 p.
8. GOST 13496.2-91. Korma, kombikorma, kombikormovoe syr'e. Metod opredeleniya syroy kletchatki. [State Standart 3496.2-91. Fodder mixed fodder and mixed fodder raw material. Method for determination of raw cellular tissue]. Moscow, 2002. 6 p.
9. GOST 13496.15-97. Korma, kombikorma, kombikormovoe syr'e. Metody opredeleniya soder-zhaniya syrogo zhira. [State Standart 13496.15-97. Forages, compound feeds, raw material for compound feeds. Methods for determining the raw fat content]. Moscow, 2011. 10 p.
10. GOST 26226-95. Korma, kombikorma, kombi-kormovoe syr'e. Metody opredeleniya syroy zoly. [State Standart 26226-95. Fodder, mixed fodder and mixed fodder raw material. Methods for determination of raw ash]. Minsk, 2003. 6 p.
11. GOST 26570-95. Korma, kombikorma, kombikormovoe syr'e. Metody opredeleniya kal'tsiya. [State Standart 26570-95. Fodder, mixed fodder and mixed fodder raw materials. Methods for determination of calcium]. Minsk, 2003. 14 p.
12. GOST26657-97. Korma, kombikorma, kombikormovoe syr'e. Metod opredeleniya soderzhaniya fosfora. [State Standart 26657-97. Fodders, mixed fodders, mixed fodder raw materials. Methods for determination of phosphorus content]. Minsk, 1997. 10 p.
13. Hashimoto S., Shogren M. D., Pomeranz Y. Cereal Pentosans. Their Estimation and Significance. -Pentosans in Wheat and Milleed Wheat Products. Cereal Chem. 1964. Vol. 1. pp. 30-34.
