CC BY
30
ГОРОХ
УДК 635.656:631.527
Результаты селекции гороха на засухоустойчивость
Г.В. СОБОЛЕВА, Г.Н. СУВОРОВА, С.В. БОБКОВ, В.Н. УВАРОВ, кандидаты сельскохозяйственных наук
Всероссийский НИИ зернобобовых
и крупяных культур
E-mail: alniksobolevdrambler. ru
В полевых условиях изучены реге-нерантные линии гороха, полученные из осмоустойчивых каллусных клонов. Показано преимущество регенерантных линий над исходными сортами по физиологическим параметрам засухоустойчивости и ряду хозяйственно-ценных признаков. Растения-регенеранты имели более высокое общее содержание воды в тканях и характеризовались повышенной водоудерживающей способностью. Выделены высокоурожайные регенерантные линии.
Ключевые слова: горох, засухоустойчивость, регенеранты, завядание.
Классическая селекция, основанная на методах внутривидовой гибридизации, позволила создать сорта гороха, обладающие высокой продуктивностью. Однако они, как правило, дают высокие и стабильные урожаи лишь в благоприятных погодных и агротехнологических условиях.
К числу основных факторов, приводящих к резкому снижению урожайности гороха, относится засуха. Согласно классификации Н.И. Вавилова [I], горох принадлежит к группе слабоустойчивых к засухе культур.
Анализ метеорологических данных за последние десятилетия свидетельствует о повышении среднегодовых температур, а также резких колебаниях водного и температурного режимов в течение вегетации. С 1980 по 2012 гг. в России участились весенние засухи, что особенно отрицательно сказывается на урожайности гороха. Как показывают прогнозы, периодичность повторе-
ния засух по годам будет только усиливаться [2]. В связи с этим современные селекционные программы по гороху должны быть ориентированы на создание сортов, сочетающих высокую потенциальную продуктивность и устойчивость к абиотическим стрессорам, в частности, к засухе [3].
Сложность селекции на устойчивость к засухе связана со слабо изученной генетической природой признака и отсутствием доноров засухоустойчивости. Сдерживающим фактором является также трудное сочетание в одном генотипе таких вступающих в противоречие признаков, как высокая продуктивность и засухоустойчивость [4, S].
Одним из современных инновационных направлений, позволяющих расширить спектр исходного материала и активизировать селекционный процесс создания высокопродуктивных засухоустойчивых сортов, являются биотехнологии и, в частности, клеточная селекция in vitro. В настоящее время селективные системы для отбора форм, устойчивых к засухе, разработаны для основных злаковых культур [6]. Аналогичные исследования для зернобобовых культур крайне ограничены. Попытки отбора соматических клеток и получения устойчивых форм бобовых были предприняты для люцерны [7, 8]. Проведены исследования по получению методами клеточной селекции толерантных к недостатку воды генотипов сои [9]. В опубликованных работах показана главным образом только возможность проведения скрининга генотипов in vitro на устойчивость к осмотическому стрессу. Главный недостаток проведенных работ - отсутствие протоколов регенерации и данных о получении растений-регенерантов,тем более о взаимосвязи между осмоус-тойчивостью каллусов и засухоустойчивостью регенерантов.
Клеточная селекция гороха на засухоустойчивость имеет важное тео-
ретическое и практическое значение, однако ни в отечественной, ни в зарубежной литературе должного освещения не получила. Одна из главных проблем, ограничивающих применение клеточных технологий в селекции гороха, - низкая частота регенерации растений из культивируемых клеток и тканей. Между тем, для практической селекции получение растений-регенерантов, обладающих ценными признаками, является ключевым фактором.
В лаборатории генетики и биотехнологии нашего института разработаны основные методические подходы к проведению работ по клеточной селекции на устойчивость гороха к засухе [10, II]. Здесь мы представляем результаты сравнительной оценки регенерантных линий гороха, полученных в селективных системах in vitro с осмотически активными веществами, и исходных генотипов по водоудерживающей способности и урожайности.
Материалом для исследований стали 14 регенерантных линий гороха, полученных из осмоустойчивых каллусных клонов сортов Темп и Фараон и перспективных селекционных линий ВНИИЗБК Л-^-03, Л-190-02. Сорт Темп и селекционная линия Л-13S-03 относятся к белоцветковому, листочковому морфотипу, Фараон и Л-190-02 - к белоцветковому, усатому морфотипу. Осмоустойчивые каллусы гороха были получены в селективных системах с полиэтилен-гликолем в концентрации 1S-20 %.
В 2011-2013 гг. предварительно размноженные регенерантные линии R4-R6 изучали в полевом севообороте. Посев проводили в последнюю декаду апреля в соответствии с погодными условиями сеялкой СКС-6-10. Учетная площадь делянки 7,S м2, повторность в опыте - трехкратная, расположение делянок - и рендомизированное. В качестве кон- | троля использовались оригинальные и сорта и селекционные линии. и
Для гороха особенно важны бла- | гоприятные гидротермические усло- 2 вия в период от всходов до цветения. Необходимая сумма осадков в p этот период должна составлять не о
R
менее 130-140 мм. В 2011 г. в мае выпало всего 27,2 мм осадков. В период от цветения до созревания количество осадков значительно превосходило среднемноголетние показатели. Метеорологические условия вегетационного периода 2012 г. сложились также недостаточно благоприятно для роста и развития гороха. В первой декаде мая (фаза посев - всходы) выпало всего S мм осадков. В период от всходов до цветения выпало 90 мм осадков. Выпавшие в первой-второй декадах июня дожди позволили гороху компенсировать отставание в развитии. В течение вегетации в 2013 г. осадки выпадали крайне неравномерно. В первой и второй декадах мая наблюдался существенный дефицит влаги. В конце третьей декады мая выпало почти две нормы осадков. В июне количество осадков было близко к среднемноголетне-му показателю. Температурный фон в течение всех лет изучения превышал среднемноголетнюю норму. Сложившиеся погодные условия стали естественным фоном для тестирования уровня засухоустойчивости регенерантных линий.
Наиболее значимым физиологическим показателем засухоустойчивости растений является водоудер-живающая способность, определяе-
мая методом завядания срезанных растений. Анализ водоудерживающей способности целых растений, проведенный в фазе бутонизации, показал тенденцию превосходства большинства регенерантных линий над исходными генотипами (табл. 1). Среди изученного материала наибольшей способностью удерживать воду в процессе завядания характеризовалась регенерантная линия В-08-18. За 6 ч завядания растения-регенеранты данной линии утрачивали 22,9 % воды от исходного содержания, тогда как у контрольных растений линии Л-13S-03 испарялось 26,8 % воды.
Другой важный показатель состояния оводненности растений - общее содержание воды в тканях, позволяющее опосредованно оценить работу корневой системы. Установлено, что в условиях жесткого водного и температурного стресса, наблюдавшегося в 2011-2012 гг., практически у всех регенерантных линий общее содержание воды было выше, чем у исходных генотипов. В 2013 г. содержание воды в тканях у всех изученных генотипов было выше, чем в предыдущие годы, что можно объяснить обилием осадков, выпавших в конце мая. Содержание воды в 2013 г. у регенерантных линий было на уровне исходных генотипов. Вероятно, это связано с тем, что регенерантные
линии, полученные методом клеточной селекции, проявляют свое преимущество к засухе лишь в условиях водного дефицита.
Структурный анализ растений регенерантных линий, проведенный в фазе полной спелости, свидетельствует о значительном варьировании основных показателей продукционного процесса. По длине стебля все регенерантные линии сортов Темп и Фараон оказались более короткосте-бельными по сравнению с исходными генотипами (табл. 2). Так, длина стебля сорта Темп в среднем за три года составила 48,8 см, у регенерантных линий она варьировала в пределах 36,8-44^ см. У регенерантных линий генотипов Л-190-02 и Л-13S-03 наблюдалась обратная картина: регенеранты этих линий были более длинностебельными. По числу бобов и семян на растении практически все регенерантные линии сорта Темп и селекционной линии Л-13S-03 превысили исходный генотип.
По семенной продуктивности ре-генерантные линии были на уровне исходных генотипов или несколько уступали им. Выделены регенерант-ные линии В-07-11 и В-08-18, превысившие по данному показателю на ^,7-16,1 % оригинальную линию Л-^-03.
Урожайность семян регенерант-
I. Устойчивость к обезвоживанию растений гороха (потери воды за 6 ч завядания, в % к ее первоначальной массе) и общее содержание воды в тканях (% от сырого веса) в фазе бутонизации
Сорт, линия Потери воды, % Общее содержание воды в тканях, %
2011 г. 2012 г. 2013 г. в среднем 2011 г. 2012 г. 2013 г. в среднем
Темп - 27,9 34,8 27,4 30,16 81,6 81,1 86,2 83,0
Я-07-3 32,2 51,2 27,2 36,9 82,8 84,6 85,7 84,4
Я-08-4 33,9 42,7 31,1 35,9 82,4 82,5 84,9 83,3
Я-08-5 27,1 33,2 28,2 29,5 82,7 82,0 86,1 83,6
Я-08-6 26,3 31,4 23,8 27,2 82,1 81,6 86,6 83,5
Я-09-11 25,9 33,8 26,6 28,8 83,0 83,5 86,5 84,4
Я-08-12 23,2 26,5 22.9 24,2 81,6 81,9 85,0 82,9
Я-08-13 27,2 26.6 25,1 26,3 82,1 81,1 85,3 82,8
Я-08-14 26,6 31,7 28,6 29,0 81,8 83,2 85,5 83,5
Я-08-15 29,3 31,3 29,4 30,0 82,3 82,3 85,8 83,5
Я-08-43 24,2 37,4 24,9 28,8 82,3 82,4 85,2 83,3
НСР05 5,3 5,9 4,2 1,8 1,7 1,0
Л-135-03 - 31,4 28,6 20,3 26,9 81,0 80,8 83,8 82,0
Я-07-11 34,3 25,1 29,5 26,3 81,5 81,5 83,7 82,2
Я-08-18 26,4 22,5 17,0 22,0 81,2 82,5 83,8 82,7
НСР05 4,1 4,3 3,4 1,6 1,2 1,0
Л-190-02 - 34,7 25,2 26,1 28,7 83,3 80,5 86,1 83,3
Я-08-16 33,5 25,1 22,8 27,2 84,1 81,0 85,0 83,3
НСР05 3,9 2,4 3,3 1,2 1,6 1,2
Фараон - 30,1 27,0 23,1 26,8 82,1 81,1 83,7 82,3
Я-07-5 25,6 25,5 22,0 24,4 81,4 81,3 83,9 82,2
НСР05 4,4 3,9 4,7 1,7 1,5 1,4
22
2. Показатели продуктивности регенерантных линий гороха (в среднем за 2011-2013 гг.)
Сорт, линия Длина стебля, см Число бобов, шт. Число семян, шт. Масса семян, г/раст. Масса 1000 семян, г Урожайность, т/га Содержание белка, %
Темп - St. 48,8 3,8 14,4 3,8 266,0 2,93 23,20
R-07-3 44,5 4,2 17,1 4,5 263,8 2,69 24,00
R-08-4 38,4 3,8 14,0 3,4 248,6 2,02 23,57
R-08-5 40,5 3,8 15,1 4,0 263,2 2,21 22,37
R-08-6 39,9 4,0 15,2 4,0 267,9 2,55 22,93
R-09-II 41,0 4,3 16,5 4,3 265,6 2,70 22,33
R-08-12 43,8 3,7 15,3 4,0 262,0 2,56 23,47
R-08-13 40,3 3,8 15,9 4,2 256,8 2,43 21,87
R-08-14 36,8 3,5 14,3 3,6 254,4 2,25 22,30
R-08-15 38,3 3,7 16,0 3,8 240,0 2,16 22,57
R-08-43 41,9 3,9 15,9 4,2 272,2 2,61 22,87
Л-135-03 - St. 48,6 3,9 15,5 4,1 266,1 2,96 24,20
R-07-11 55,0 4,1 19,1 4,7 245,0 3,23 22,63
R-08-18 54,7 4,4 19,4 4,8 244,1 3,15 22,30
Л-190-02 - St. 49,4 4,2 16,8 3,6 213,2 2,46 23,83
R-08-16 54,8 3,9 15,9 3,6 223,7 2,52 24,80
Фараон - St. R-07-5 60,6 57,0 4,9 4,4 17,7 14,1 4,0 3,5 226,6 246,7 3,18 2,74 23,97 23,17
ных линий варьировала от 2,02 до 3,23 т/га. Регенерантные линии R-07-II (3,23 т/га) и R-08-18 (3,1S т/га) в среднем за три года исследований превзошли по урожайности оригинальную линию 1-13S-03 (2,96 т/га).
Важнейшим признаком, характеризующим генотипы гороха, является содержание белка в семенах, которое у изученных генотипов гороха варьировало от 21,87 до 24,80 %. Максимальное содержание белка (24,80 %) наблюдалось у регенеран-тной линии R-08-16 (исходный генотип Л-190-02 - 23,83 %).
Таким образом, проведенные исследования показали, что методы клеточной селекции могут быть использованы для получения засухоустойчивых вариантов гороха. Реге-нерантные линии гороха, прошедшие на этапе каллусной ткани отбор на осмоустойчивость, имели преимущество над исходными генотипами по физиологическим параметрам засухоустойчивости и рядухозяйственно-ценных признаков.
Литература
1. Вавилов Н.И. Мировые ресурсы засухоустойчивых сортов. Избранные сочинения. Генетика и селекция. - М.: Колос, 1966. - С. 102-113.
2. Глобальные изменения климата и прогноз рисков в сельском хозяйстве России. Под ред. А.Л. Иванова, В.И. Кирю-шина. - М.: Россельхозакадемия, 2009. - 518 с.
3. Зотиков В.И. Сохраняя и развивая традиции//3емледелие, 2012. - № 5. -С. 4-6.
4. Кумаков В.А. Физиологические подходы к селекции растений на продуктивность и засухоустойчивость//Сельскохо-зяйственная биология, 1986. - № 6. - С. 27-34.
5. Новикова Н.Е. Проблемы засухоустойчивости растений в аспекте селекции гороха//3ернобобовые и крупяные культуры, 2012. - № 1. - С. 53-58.
6. Долгих Ю.И. Результаты и перспективы использования клеточной селекции для создания перспективных форм растений/Биотехнология в растениеводстве, животноводстве и ветеринарии. - М., 2004. - С. 114-115.
7. Ермакова Е.Г., Шарапов Н.В., Ма-зин В.В. Создание генотипов люцерны с повышенной устойчивостью к абиотическим стрессам/Актуальные проблемы биотехнологии в растениеводстве, животноводстве и ветеринарии. - М., 1996. -С. 27.
8. Dragiiska R., Djilianov D., Denchev P., Atanassov A. In vitro selection for osmotic tolerance in Alfalfa (Medicago sativa L.)// Bulg. J. Plant Physiology, 1996. - V. 22 (3-4). - P. 30-39.
9. Sakthivelu G. and al. Drought-induced alterations in growth, osmotic potential and in vitro regeneration of soybean cultivars// Gen. Appl. Plant Physiology, 2008. - V. 34 (1-2). - P. 103-112.
10. Соболева Г.В. Регенерация растений гороха (Pisum sativum L.) в культуре соматических тканей, резистентных к осмотическому стрессу//Ученые записки Орловского государственного университета, 2010. - № 2. - С. 254-258.
II. Соболева Г.В. Суворова Г.Н., Кон-дыков И.В., Зотиков В.И. Метод клеточной селекции гороха на устойчивость к абиотическим факторам среды: Метод. рекомендации. - М., 2011. - 24 с.
Results of pea breeding for drought resistance
G.V. Soboleva, G.N. Suvorova, S.V. Bobkov, V.N. Uvarov
Pea régénérants which were obtained from osmotic-resistant calli was studied in field conditions. It was shown an advantage of regenerants on physiologic parameters of drought resistance and economically valuable traits over initial varieties. Plant regenerants had higher values of total water content in the tissues and characterized by high water-holding capacity. High yielding lines of regenerants were selected. Keywords: pea, drought resistance, regenerants, withering.
u ф
s л
а д
m л
s
а
