CC BY
31
УДК 631.527:58.085:633.1
полевая оценка результативности создания in vitro стрессоустойчивых форм ячменя и
ПШЕНИцы
B.Ю. СТУПКО, кандидат сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник
C.Ю. ЛУГОВЦОВА, зав. сектором
Н.В. ЗОБОВА, доктор сельскохозяйственных наук, зав. отделом
Красноярский научно-исследовательский институт сельского хозяйства Россельхозакадемии, Россия, Красноярск, пр. Свободный, 66
E-mail: zobovnat@mail.ru
Резюме. Исследования проводили с целью оценки результативности селекции на селективных средах in vitro ярового ячменя и яровой мягкой пшеницы. Полевую оценку осуществляли в 2004-2011 гг. в ФГУП «Минино» (выщелоченный чернозём), в АО «Лазурное» (на дерново-подзолистой почве с рН 4,4), на Северо-Кулундинской СХОС в Новосибирской области (среднестолбчатые солонцы) по паровым предшественникам на делянках площадью 1 м2 в 3-4-х повтор-ностях в предварительном и конкурсном сортоиспытаниях. На оптимальных почвах регенеранты ячменя с кислых и засоленных сред отличались от стандарта Красноярский 80 повышенной озерненностью колоса (на 6%), снижение (менее 3%) сохранности растений к уборке наблюдали у регенерантов с засоленных сред, а массы 1000 зерен и урожайности - у регенерантов с кислых сред. На засоленных почвахлинии-регенеранты характеризовались более высокой сохранностью растений к уборке (на 21...27%о) и урожайностью (на 18.38%), по сравнению с сортом Красноярский 80. Урожайность регенерантов с кислых сред была выше, чем у растений с засоленных сред, что свидетельствует об их лучших адаптивных свойствах. На кислых фонах только две линии регенерантов приблизились к стандартному сорту Красноярский 80 с некоторым преимуществом линии СР.2-ГДГ-6h-949 по сохранности растений (+21%) и массе 1000 зерен (до 8%). По ряду элементов структуры урожая в годы с избыточным увлажнением регенеранты пшеницы уступали своим родительским формам, а при значительно меньшей влагообеспеченности превосходили их по высоте стеблестоя на 17.23%, сохранности растений к уборке - на 24.40%, длине главного колоса - на 8.24%, массе 1000 зерен - на 4. 12%. Линии регенерантов РК(Минуса)1.31, РС(КС-1607)2.9, выделившиеся по урожайности, массе 1000 зерен, длине главного колоса, переданы в конкурсное сортоиспытание. Полученные результаты свидетельствуют об эффективности разработанной технологии отбора in vitro и возможности ее практического использования. Ключевые слова: селекция, каллусные культуры, пшеница, ячмень, полевые испытания.
Создание новых сортов зерновых культур - первостепенное средство повышения их урожайности. В условиях Сибири, многие из районов которой находятся в зоне «рискованного земледелия» [1...3], особое значение приобретает высокая адаптивность сорта. Инновационные методы селекции, включающие генную инженерию, химический и радиационный мутагенез, приемы клеточной селекции, могут ускорить этот процесс [4.5]. Наиболее экологичными представляются технологии каллусных культур, использующие естественные резервы изменчивости и не сопровождающиеся искусственным созданием новых генетических конструкций. При этом селекция in vitro даёт возможность повысить физиологическую клеточную устойчивость сельскохозяйственных культур к стрессовым эдафическим факторам, которая
особенно важна на ранних этапах развития растений [6]. В Красноярском НИИСХ ведутся исследования по созданию форм зерновых культур, устойчивых к засухе, засолению, высокой кислотности почв с использованием технологий in vitro [7.8]. Если с ячменем в этом направлении уже получены значительные результаты, в том числе по созданию регенерантов на селективных средах и их оценке [7], то по пшенице такая работа начата недавно [8], и полевые испытания линий продолжаются от 3-х до 5-и лет, а по овсу - регенеранты еще только размножаются до линий.
Цель нашей работы - оценка результативности селекции на селективных средах in vitro ярового ячменя и яровой мягкой пшеницы в полевых испытаниях на оптимальном и стрессовых почвенных фонах.
Условия, материалы и методы. В полевых испытаниях задействованы донорные генотипы ячменя и пшеницы, а также регенеранты, полученные на основе их каллусных культур на селективных (обозначенные как РС и СР - со среды с NaCl, РК и КР - со среды с pH 4,0) и оптимальных (РН и НР) средах.
Отбор in vitro осуществляли в 2 этапа - на средах пролиферации и регенерации каллуса, а также в кал-лусной культуре на среде Мурасиге-Скуга (МС) в присутствии стрессоров (NaCl - 0,42.0,63% и рН 4,0) по собственной технологии [8].
Полевые испытания проводили в 2004-2011 гг. в Красноярском крае в ФГУП «Минино» (Емельяновский район) на обыкновенных черноземах (оптимальный почвенный фон) с содержанием гумуса 4,3.5,2% (по Тюрину), средней обеспеченностью подвижным калием - 21,4.23,2 мг/100 г почвы (по Мачигину) и повышенной подвижным фосфором 3,1 .3,5 мг/100 г почвы (по Мачигину); в АО «Лазурное» (Козульский район) на дерново-подзолистой тяжелосуглинистой почве (кислый фон) с содержанием гумуса 5,3%, очень низкой обеспеченностью РО - 7,8
' ' 2 5'
мэкв/100 г почвы и средней К2О - 14,5 мэкв./100 г почвы (по Кирсанову), рН почвенного раствора 4,2; в Новосибирской области на Северо-Кулундинской СХОС (засоленный фон) на среднестолбчатых по-лугидроморфных солонцах со среднесуглинистым гранулометрический состав, содержанием гумуса в надсолонцовом горизонте - 3%, Р205 - 3%, К20 -31,2%, реакция почвенного раствора близкая к нейтральной - рН 7,3,степень засоления - средняя, тип - сульфатно-хлоридный. Опыты проводили по паровым предшественникам на делянках площадью 1 м2 в 3.4-х повторностях, в питомниках сортоиспытания по требованиям КСИ и ПСИ. Норма высева - 500 всхожих зерен на 1 м2.
Параметры структуры урожая определяли стандартными методами [9], статистическую обработку проводили с использованием компьютерных пакетов статистических программ Statistica 6.0 и Snedecor.
результаты и обсуждение. В Красноярском НИИСХ при отработке технологии селекции in vitro и впоследствии по уже готовым методикам созданы сотни линий регенерантов ярового ячменя. Характер изменений основ- 11
рисунок. Параметры основных элементов структуры урожая (% к стандарту) линий-регенерантов с кислых и засоленных сред: а - оптимальные почвы; б - засоленные почвы; в - кислые почвы, (1 - сохранность растений; 2 - озерненность колоса; 3 - масса 1000 зерен; 4 - урожайность): Ц - Красноярский 80; □ - «соленые» линии регенератов; О - «кислые» линии регенератов.
ных параметров, определяющих продуктивность растений этой культуры на использованных фонах, свидетельствует об их исключительной контрастности. При средней урожайности всех испытанных образцов на оптимальном фоне -457,5 г/м2, самым жестким фоном оказались кислые почвы (53,9 г/м2), более щадящим - засоленные (141,4 г/м2).
На оптимальных почвах (см. рисунок) регенеранты с кислых и засоленных сред отличались от стандарта Красноярский 80 повышенной озерненностью колоса, одновременно у регенерантов с засоленных сред наблюдалось незначительное снижение сохранности растений к уборке, а с кислых сред - массы 1000 зерен и урожайности. На засоленных почвах сохранность растений к уборке и урожайность линий-регенерантов была выше, чем у сорта Красноярский 80. Причем сбор зерна регенерантов с кислых сред был выше, чем у линий с засоленных сред, что свидетельствует об их высоких адаптивных свойствах. На кислых фонах к стандартному сорту Красноярский 80 приблизились только две линии регенерантов. Некоторое преимущество по сохранности растений к уборке и массе 1000 зерен отмечено у регенеранта СР.2-ГДГ-611-949.
Среди исследованных форм мы выделили линии, достоверно отличающиеся от исходных по изученным признакам в течение нескольких лет. Так, на всех трех фонах меньшей высотой растений характеризовался образец СР.2-ГДГ-611-949, большей сохранностью растений - СР.3-ГДГ-2811-949, СР.1-У-95-1041, СР. (14)-С-15, большей высотой растений - СР. (13)-С-15, большей массой 1000 зерен - КР.3.7(7)-Т-136-368. На черноземе обыкновенном и засоленной почве большая высота растений отмечена у регенерантов СР. (14)-С-15 и КР.3.7(7)-Т-136-368, большая сохранность растений - СР.4-ГДГ-2811-949. Повышенной урожайностью на засоленных почвах отличались линии СР. (13)-С-15, СР. (14)-С-15, КР.3.7( 1 )-Т-136-368, на кислых почвах - СР. 1 -У-95-1041. Большую сохранность растений на оптимальном фоне продемонстрировали образцы СР.8-У-20-704 и СР.10-У-20-704, на засоленном - СР.2-У-95-1041. Следует отметить, что некоторые регенеранты выделялись сразу по нескольким признакам, в том числе на разных фонах.
Полевые исследования линий регенерантов ярового ячменя и их родительских форм, проведенные в лаборатории селекции ячменя Красноярского НИИСХ по типу
предварительного и конкурсного сортоиспытания, позволили сделать сравнение на больших делянках, в том числе по вегетационному периоду (табл. 1). При этом ни у одного из регенерантов его продолжительность не превышала величину это го по казател я у родительской формы, но имелись линии более скороспелые, чем родительские. Среди всего набора выделены линии, в отдельные годы достоверно превышавшие урожайность стандартного сорта Красноярский 80. Превосходство регенерантов над родительскими формами и стандартом отмечено не только по продуктивности, но и по некоторым элементам структуры урожая, в том числе по продуктивной кустистости.
Таблица 1. регенеранты, выделившиеся по отдельным хозяйственно-ценным признакам в предварительном и конкурсном сортоиспытаниях
С повышенной продуктивностью С повышенной кустистостью С укороченным вегетационным периодом
СР.3-ГДГ-281>949 СР.4- ГДГ 28h-949 СР.4- ГДГ 28h-949 СР.4-ГДГ-281>949 СР.3-ГДГ-281>949 СР.3-ГДГ-281>949 КР.63-Л-6-4246 КР.3.7(1)-Т-136-368 КР.63-Л-6-4246 КР.3.7(1)-Т-136-368
Таким образом, созданные линии регенерантов ячменя вполне конкурентоспособны по отношению к селекционному материалу, полученному в результате традиционного отбора, по таким признакам как вегетационный период и продуктивность даже на оптимальных фонах произрастания.
На основании положительных результатов, полученных по итогам селекции in vitro ярового ячменя, были начаты исследования по разработке аналогичной технологии для яровой мягкой пшеницы. За время работы над этой проблемой создано порядка 80 линий: одна половина получена на средах, содержащих стрессовые агенты, вторая - на оптимальных. Растения регенеранты доведены до семенного потомства в контролируемых условиях светокультуры и размножены в поле.
Погодные условия в регионе проведения полевых опытов по оценке полученных линий отличались непостоянством, и в среднем за 3 года достоверных различий по параметрам продуктивности между регенеран-тами и их родительскими формами не выявлено. Од— Достижения науки и техники АПК, №6-2014
нако результаты двух наиболее контрастных по уровню увлажнения и сумме активных температур лет - 2010 и 2011 гг. (ГТК соответственно 1,30 и 1,64) - показывают различия в направлении изменения параметров урожайности созданных линий и донорных генотипов.
В 2010 г. (при сумме осадков 223,2 мм) наблюдалась либо тенденция к увеличению показателей элементов продуктивности, по сравнению с более влажными условиями 2011 г. (300,1 мм), либо достоверное превышение регенерантами родительских форм по таким элементам структуры урожая, как высота стеблестоя, сохранность растений к уборке, длина главного колоса, масса 1000 зерен (табл. 2). Линии от позднеспелых генотипов выделились по массе 1000 зерен, высоте стеблестоя, сохранности растений к уборке. Линии с более коротким вегетационным периодом продемонстрировали превосходство по длине главного колоса.
В год с избыточным увлажнением некоторые реге-неранты превзошли свои исходные формы по массе 1000 зерен (линии от КС-1607), длине главного колоса (РН(Таежная)1.9), озерненности главного колоса (РН(Таежная)1.71). По урожайности достоверно выделился лишь генотип РК(Минуса)1.31. в условиях умеренного увлажнения. Большой разброс данных не позволил установитьдостоверность превосходства регенерантов над родительскими генотипами, несмотря на наличие такой тенденции, что, вероятно, связано с сильным проявлением «краевого эффекта» на малых делянках.
Выделились не только регенеранты, полученные на селективных средах, но и по ряду элементов структуры урожая, выращенные на оптимальных средах (линии от сортов Таежная и Новосибирская). Это можно связать, с одной стороны, с сомаклональной изменчивостью, имеющей место во всей каллусной ткани, с другой - с формиро-
ванием таких регенерантов параллельно с ростом каллуса на среде с 2,4-Д, то есть в условиях, когда органогенез, по мнению Россева с соавторами [10], может служить признаком высокой адаптивности генотипа.
Ценность регенерантов с оптимальной среды отмечена нами и ранее, в физиологических тестах, где они демонстрировали большую стабильность показателей при перенесении в стрессовые условия, по сравнению с родительскими генотипами [11].
Таким образом, несмотря на то, что по ряду элементов структуры урожая в годы с избыточным увлажнением регенеранты пшеницы уступали своим родительским линиями, при значительно меньшей влагообеспеченности они формировали показатели на уровне донорных генотипов и выше, что делает их перспективными для возделывания в таких условиях. Линии, сформировавшиеся на селективных средах и выделившиеся по урожайности, массе 1000 зерен, дли-
не главного колоса - РК(Минуса)1.31, РС(КС-1607)2.9, переданы в конкурсное сортоиспытание в лабораторию селекции пшеницы Красноярского НИИСХ.
выводы. Результативность создания в культуре in vitro на селективных средах форм ярового ячменя, устойчивых к стрессовым эдафическим факторам, подтверждена многолетней оценкой в полевых опытах на соответствующих почвенных фонах. Полученные в более короткие сроки, новые генотипы регенерантов составили достойную конкуренцию формам традиционной селекции.
Регенеранты пшеницы проявляли своё превосходство над родительскими формами в условиях умеренного увлажнения, демонстрируя показатели на уровне донорных генотипов при избытке влаги, что свидетельствует о перспективности созданных форм для использования в условиях недостатка влаги.
Таблица 2. Характеристика элементов структуры урожая регенерантов пшеницы, ФГУП «минино», 2010-2011 гг. (M±m)
Генотип ГТК Элементы структуры урожая по отношению к родительской Ьорме, %
высота растений сохранность растений к уборке урожайность с делянки озернен-ность главного колоса длина главного колоса масса 1000 зерен
РС (Новосибир- 1 30 104 , 6±15 , 4 140,5±10,1а 100,2±24,6 76,9±46,2 105,7±7,0 103,0±4,1
ская 15)12.6 1 64 101, 2±0 , 6 116,4±7,5* 97,1±5,5 103,9±2,6 91,2±6,3 102,2±4,8
РН (Новосибир- 1 30 99,7±3,5 117,0±14,2 75,1±10,6 73,7±44,3 108,0±3,8а 95,4±2,7
ская 15)8.12 1 64 91,7±2,4*а 94,1±16,9 80,9±5,6а 102,2±4,7 93,4±4,9** 98,5±0,2
РН(Таежная)1.9 1 30 112,5±17,4 106,6±45,7 117,8±38,2 100,1±1,8 116,1±21,3 101,4±3,6
1 64 99,2±5,2 75,5±25,3 86,7±10,8 103,5±0,7** 121,1±5,4а 102,9±2,5
РН(Таежная)1.71 1 30 105,6±4,7 107,0±5,9 117,6±7,1 102,0±4,4 115,5±6,7 98,9±2,0
1 64 106,9±2,2а 93,9±2,4* 110,0±7,1 104,5±1,3а 109,7±8,5 98,0±2,1
РС(КС-1607)1.21 1 30 117,2±7,0а 101,7±30,2 118,0±27,9 97,8±2,8 108,4±3,4 109,7±3,6
1 64 94,0±2,8** 104,6±13,4 127,5±12,9 99,3±0,5 91,5±1,0***а 104,4±1,4а
РС(КС-1607)2.9 1 30 117,8±9,6а 103,4±10,6 96,8±28,8 94,3±1,5а 124,9±10,4а 112,5±5,6а
1 64 97,8±3,4* 103,1±16,9 124,5±33,0 95,0±2,9а 96,3±1,6** 108,8±5,7а
РК(Минуса)1.31 1 30 123,3±9,6а 92,4±6,7 142,7±17,0а 101,9±1,2 120,3±8,5а 112,4±2,4а
1 64 102,6±4,6* 94,9±16,7 119,5±23,3 100,5±0,8 103,1±6,9 100,1±4,5**
РС(Минуса)9.9 1 30 100,5±5,2 124,0±7,1а 92,6±15,1 99,9±2,4 100,5±2,7 99,5±4,8
1 64 96,0±3,7 100,4±11,5* 107,3±3,0 98,9±0,6 86,8±1,5**а 93,5±1,2а
Различия достоверны:а - между регенерантом и родительской формой при р<0,1; между годами опыта - *р<0,1; **р<0,05; ***р<0,01 по t критерию.
Литература.
1. Ведров Н.Г., Никитина В.И. Оценка исходного материала яровой пшеницы по экологической стабильности в условиях Сибири// Сибирский вестник сельскохозяйственной науки. 1991. №2. С. 31-37.
2. Танделов Ю.П., Ерышова О.В. Особенности кислых почв Красноярского края и эффективность известкования: учеб. пособие. Красноярск: Краснояр. гос. аграр. ун.-т, 2003. 147с.
3. Шаманин В.С., Чернов В.М., Трущенко А.Ю., и др. Селекция яровой мягкой пшеницы и адаптивность в условиях Западной Сибири: итоги и перспективы // Актуальные задачи селекции и семеноводства сельскохозяйственных растений на современном этапе: докл. и сообщ. IXгенетико-селекц. шк. (5-9 апр. 2004 г.). Новосибирск: РАСХН Сиб. отд-ние. СибНИИРС., НГАУ. 2005. С. 204-221.
4. Bhat M.A., Jamshieed S., Mujib A., et al. Plant tissue culture: a useful measure for the screening of salt tolerance in plants // Salt Stress in Plants: Signalling, Omics and Adaptations. / P. Ahmad et al. (eds.). Springer Science+Business Media New York. 2013. P. 465-495.
5. Filippis De L. F. Crop improvement through tissue culture // Improvement of crops in the era of climatic changes. / P. Ahmad et al. (eds.) - Springer New York. 2014. P. 289-346.
6. Karan R., Subudhi P. K. Approaches to increasing salt tolerance in crop plants //Abiotic stress responses in plants: metabolism, productivity and sustainability. / P. Ahmad and M.N.V. Prasad (eds.). Springer Science+Business Media, LLC. 2012. P. 63- 88.
7. Зобова Н.В., Конышева Е.Н. Использование биотехнологических методов в повышении соле- и кислотоустойчивости ярового ячменя. Новосибирск: СО Россельхозакадемии, 2007. 124 с.
8. Зобова Н.В., Ступко В.Ю., Луговцова С.Ю. Технология селекционного процесса с включением культуры изолированных тканей растений, позволяющая усиливать устойчивость растений ячменя и пшеницы к стрессовым эдафическим факторам и токсинам корневых гнилей: рекомендации. Красноярск: Гротеск, 2011. 17 с.
9. Методические указания по изучению мировой коллекции ячменя и овса / под ред. В.Д. Кобылянского, А.Я. Трофимов-ской. 3-е изд., перераб. Л.: Всесоюз. НИИ растениеводства им. Н.И. Вавилова. 1981. 32 с.
10. Способ оценки растений in vitro к абиотическим факторам внешней среды: Пат. 2146865. Россия, А01Н4/00, А01Н1/04 /Россеев В.М.; Сиб. НПО «Колос». - № 92002021/13; Заявл. 26.10.92; Опубл. 27.03.00; Бюл. № 9.
11. Ступко В.Ю., Зобова Н.В. Характеристика солеустойчивости регенерантов мягкой яровой пшеницы // Бюллетень государственного Никитского ботанического сада. 2009. Вып. 99. С. 107-111.
FiELD EVALuATioN oF STRESS TOLERANT BARLEY AND wHEAT VARiETiES IN VITRO OREATioN
EFFEOTiVENESS
V.Yu. Stupko, S.Yu. Lugovcova, N.V. Zobova
State Scientific Institution Krasnoyarsk research institute of agriculture of Russian Academy of Agriculture, Russia, Krasnoyarsk, Svobodnij prospect, 66
Summary. The aim of the study - effectiveness of in vitro selection technology that involves selective media for spring barley and soft spring wheat varieties creation. Field trials were conducted in 2004-2011 at FSUE "Minino" (ordinary chernozem), at AU "Lasurnoe" (Kosul'skij region) on sod-podzolic soil with pH 4,4, in Novosibirsk region - at North-Kulunda agriculture experiment station - solonetzic soils, on fallow lands; the size of plots - 1 m2, 3-4 replications, and also in prior and competitive trials. Barley regenerants formed on acid and salt media surpassed standard variety - Krasnoyarskij 80 - in kernel percentage by 6% at optimal soil. Those from salt medium had lower plant safety till harvesting (by 3%), as well as ones formed on acid media had lower 1000 seeds weight and yield under these conditions. Regenerants surpassed Krasnoyarskij 80 variety in plant safety till harvesting by 21-27% and in yield by 18-38% at salty soil. The yield of regenerants formed on acid media was higher than those formed on salt media because of high adaptive features of the first ones. Only two regenerant varieties showed results up to Krasnoyarskij 80 variety level. SR.2-GDG-6h-949 surpassed it in plant safety till harvesting by 21% and in 1000 seeds weight by 8%. For a number of yield structure parameters wheat regenerants yielded to their parental varieties in overwetting year. The regenerants surpassed parental genotypes in height by 17-23%, plant safety till harvesting -24-40%, main ear length - 8-24%, 1000 seeds weight - 4-12% under less moist conditions of another year. RK(Minusa)1.31 and RS(KS-1607)2.9 varieties, that stood out in yield, 1000 seeds weight and main ear length were passed to competitive trial. The presented results indicate the effectiveness of in vitro selection technology developed earlier and its prospects of practical use. Keywords: selection, callus culture, wheat, barley, field trial.
