CC BY
58
DOI: 10.24411/0235-2451-2018-11002
УДК 631.52:633.521
Скрининг образцов генофонда льна на устойчивость к неблагоприятным факторам
Т. А. РОЖМИНА1, доктор биологических наук, директор (e-mail: [email protected]) Н. В. МЕЛЬНИКОВА2, старший научный сотрудник
М. Г. ГОЛОВЛЕВ3, кандидат медицинских наук, генеральный директор М. И. СМИРНОВА1, младший научный сотрудник
И. А. КУЗЕМИН1, аспирант
всероссийский научно-исследовательский институт льна, ул. Луначарского, 35, Торжок, Тверская обл., 172002, Российская Федерация 2Институт молекулярной биологии им. В. А. Энгельгардта РАН, ул. Вавилова, 32, Москва, ГСП-1, 119991, Российская Федерация 3Кашинский льнокомбинат, ул. Льнозавода, 2 а, Кашин, Тверская обл., 171640, Российская Федерация
Резюме. Представлены результаты анализа 60 перспективных линий и сортов льна-долгунца по устойчивости к основным лимитирующим урожай и качество льноволокна факторам - засуха, высокие и низкие значения рН почвы, токсичное действие гербицидов. В условиях засухи величина признака «общая длина стебля» в зависимости от генотипа варьировала от 52,7 (сорт Merylin, Голландия) до 72 см (линия 23-4, Россия; Alizee, Франция), уровень устойчивости - от 65,6 до 85,0 %. Выявлены генотипы льна устойчивые к сильнокислой и близкой к нейтральной реакции почвенного раствора (выживаемость растений более 70 %): линия 23-4 (Россия), Hermes (Франция). Образцы к-4116, Тост 3 (Россия), Вега 2 (Литва), Строитель (Беларусь) проявили устойчивость на фоне с рН 6,2, а к-6626 (Россия) - с рН 3,9. В варианте с обработкой посевов гербицидной композицией Магнум + Гербитокс Л + Миура (0,007 кг/га + 0,6 л/га + 1,0 л/га соответственно) у большинства генотипов льна номер трепанного волокна был равен 9...10, в то время как в контроле (без обработки гербицидами) - 12,0.13,5. Исключение составляли образцы к-4616 (Япония) и линия 23-4 (Россия), которые характеризовались высоким качеством волокна, как в контроле, так и при обработке посевов гербицидной композицией. По результатам оценки образцов льна на различных селективных фонах широким адаптивным потенциалом обладает линия линия 23-4.
Ключевые слова: устойчивость, лен (Linum usitatissimum L.), генотип, засуха, кислотность почв, гербицидная композиция.
Для цитирования: Роль генофонда льна в селекции на стрессоустойсивость / Т. А. Рожмина, Н. В. Мельникова, М. Г. Головлев и др. // Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 10. С. 11-14. DOI: 10.24411/0235-24512018-11002.
Основная задача, стоящая перед льняной отраслью страны - наращивание объемов производства конкурентоспособной по цене и качеству льнопро-дукци. В связи с утратой основных регионов производства хлопка-сырца в льняном сырье нуждается не только текстильная, но и фармацевтическая и химическая промышленность, оборонный комплекс и другие отрасли экономики. Ежегодная потребность в льноволокне превышает 130 тыс. т, а фактическое его производство в 2,5 раза меньше [1]. Невысоким остается и качество волокнистого льносырья (сред-
ний номер льнотресты по Российской Федерации равен 1,0), что сдерживает расширение сфер использования и негативно сказывается на рентабельности производства культуры.
Важная роль в решении проблемы сырьевого обеспечения страны принадлежит селекции, направленной на создание высокопродуктивных сортов льна-долгунца, обладающих широким адаптивным потенциалом на основе использования мирового генофонда культуры. Во ВНИИЛ сформирована одна из крупнейших в мире коллекция льна (более 7 тыс. образцов рода Ипит из 76 стран мира), которая охватывает практически все генетическое разнообразие культуры. Это позволяет создавать сорта, отвечающие различным требованиям селекции.
Современные отечественные сорта льна-долгунца формируют урожайность волокна хорошего качества (12...14 номер) на уровне 20...25 ц/га [2]. Однако в производственных условиях реализация их потенциала, как правило, не превышает 35 %, получаемое волокно имеет низкое качество, что обусловлено в значительной мере влиянием неблагоприятных факторов среды.
По мнению академика А. А. Жученко, селекционные программы должны быть направлены на придание сортам устойчивости к тем стрессорам, которые в наибольшей степени ограничивают величину и качество урожая [3].
Условия возделывания льна-долгунца в Российской Федерации сильно различаются по сумме активных температур и осадков, характеризуются высоким разнообразием почв, отличающихся по механическому, структурному, макро- и микроэлементному составу, кислотности и др. [4].
Как показывает результаты исследований Всероссийского НИИ льна и Института льна Республики Беларусь, даже невысокий уровень обеспеченности дерново-подзолистых почв гумусом (1,48.1,71 %) и макроэлементами (Р2О5 63.85 мг/кг, К2О 50.68 мг/кг) обеспечивает формирование 13.15 ц/га льноволокна (при среднем значении по Российской Федерации - 9,2 ц/га) и 11.12 номер трепанного волокна [5, 6].
Вместе с тем лен-долгунец очень чувствителен к изменению реакции почвенного раствора, оптимальная величина которой находится в диапазоне 5,1. 5,4 ед. рН. При избыточной кислотности основным фактором лимитирующим урожайность и качество льноволокна служит токсичность подвижных ионов А1, Мп, Fe, что обусловливает ухудшение углеводного, белкового и фосфатного обмена у растений. На почвах с повышенными значениями рН происходит интенсивное разложение гумуса, вымывание Са, Мд, К, Си, Б. Такие необходимые для растений элементы, как К, Мд, Fe, Zn, Си, Мп и В переходят в недоступную форму [7]. При этом в Нечерноземной зоне РФ доля пашни с оптимальным значением рН почвы для льна-долгунца составляет около 20 % [6, 8].
Лен-долгунец характеризуется низкой конкурентоспособностью по отношению к сорной растительности,
поэтому его производство невозможно без применения гербицидов. Вместе с тем, обработка посевов культуры гербицидами, как правило, приводит к значительному снижению урожая и качества льноволокна. Нечувствительность растений к тем или иным гербицидам формируется разными способами, например, путем введения генов, кодирующих белки устойчивости к определенному классу гербицидов [9].
В последнее десятилетие отмечается усиление влияния на продуктивность посевов культуры неблагоприятных факторов среды, в частности проявления засухи в период «елочка» - бутонизация, когда у растений льна происходит закладка и формирование волокнистых пучков. Дефицит влаги в этот период вегетации приводит к резкому снижению урожая и качества льнопродукции [10, 11].
Цель наших исследований - поиск в мировом генофонде льна источников устойчивости к основным лимитирующим факторам (засухе, высоким и низким значениям рН почвы, гербицидному стрессу) для создания сортов, обеспечивающих получение высоких и гарантированных урожаев конкурентоспособной льнопродукции.
Условия, материалы и методы. В качестве исходного материала использовали 60 образцов мировой коллекции льна ВНИИЛ, в том числе перспективную линию 23-4 (Сальдо х Могилевский), созданную путем гибридизации и отбора на селективных фонах - высокие и низкие значения рН почвенного раствора. Оценку образцов по хозяйственно ценным признакам проводили в коллекционном питомнике в соответствии с методическими указаниями по селекции льна-долгунца [12] на опытных полях ФГБНУ ВНИИЛ (2015-2017 гг.), характеризующихся слабокислой реакцией почвенной среды, высоким содержанием фосфора и средним - калия.
Метеоусловия в годы проведения исследований были различными: в 2015 г. в критический период роста и развития растений «елочка» - бутонизация на фоне повышенных температур воздуха отмечали дефицит влаги (ГТК 0,6), в 2016 и 2017 гг. условия в этот период были близки к оптимальным (ГТК 1,1 и 1,3, соответственно).
Устойчивость растений льна к засухе, которую наблюдали в 2015 г., определяли как отношение величины признака «общая длина стебля» (один из основных признаков, определяющих урожайность и качество льноволокна) в стрессовых и оптимальных условиях, которые сложились в другие годы испытаний (2016 и 2017 гг.), выраженное в процентах [13].
Оценку образцов льна на устойчивость к токсичному действию гербицидов проводили в коллекционном
питомнике (2008-2010 гг.). Схема эксперимента включала два варианта: без внесения гербицидов (контроль); обработка посевов гербицидной композицией Магнум + Гербитокс Л + Миура (0,007 кг/га + 0,6 л/га+1,0 л/га соответственно).
Изучение образцов льна на устойчивость к высоким и низким значениям рН проводили на селективных фонах (2016-2018 гг.): рН 5,3...5,5 (Р2О5 320... 340 мг/кг, К2О 81.92 мг/кг) - слабокислый, оптимальный для льна-долгунца (вариант I); рН 3,9 (Р2О5 270.298 мг/кг, К2О 46.62 мг/кг) - сильнокислый (вариант II); рН 6,2 (Р2О5 312.345 мг/кг, К2О 84.98 мг/кг) - нейтральный (вариант III). Показатель «выживаемости» растений определяли в конце вегетации (фаза «ранняя желтая спелость») и рассчитывали как отношение угнетенных растений на стрессовом селективном фоне (варианты II и III), которые погибли либо не сформировали семенных коробочек, к общему количеству растений, выраженное в процентах. В контроле (вариант I) при оптимальном для льна-долгунца значении рН величину этого показателя не определяли, поскольку угнетения и гибели растений не наблюдали.
Технологическую оценку льносырья осуществляли на основе применения соответствующих методик [14]. Длину элементарного волокна определяли по формуле С. М. Авирома [15].
Статистическую обработку данных выполняли с помощью программы STATISTICA 7.0. Достоверность различий между средними значениями оценивали при 5 %-ном уровне значимости по критерию Фишера.
Результаты и обсуждение. В результате засухи, которую наблюдали в 2015 г. в период «елочка» -бутонизация льна, у подавляющего большинства изучаемых образцов снижение общей длины стебля составило более 25 %, по сравнению с благоприятными условиями выращивания 2016 и 2017 гг. Из высокорослых форм наибольший уровень устойчивости к засухе (более 79 %) проявили: линия 23-4 (ВНИИЛ, Россия) и сорт Alizee (Франция). Сорт льна-долгунца Merylin (Нидерланды) оказался неустойчивым к засухе, высота его растений в 2015 г. составила 52,7 см, что на 27,6 см ниже, чем в среднем за 2016-2017 гг. (табл. 1).
На селективных по кислотности фонах (рН 3,9 и 6,2) у большинства исследуемых образцов отмечали угнетение растений и приостановку их роста. В варианте с рН 6,2, наряду с приостановкой роста наблюдали и другие симптомы характерные для физиологического угнетения льна - образование некротических пятен на листьях и верхушке, утолщение
Таблица 1. Устойчивость к засухе селекционных линий и сортов льна-долгунца (2015-2017 гг.)
Название, страна происхождения образца Общая длина стебля, см
2015 2016 2017 среднее за 20162017 гг. Устойчивость, %
линия 23-4, Россия 71,7 92,7 87,5 90,2 79,5
Тост 3, Россия 62,7 83,5 85,2 84,2 74,5
Alizee, Франция 72,0 91,0 90,3 90,7 79,4
Родник, Республика Беларусь 66,7 88,2 83,2 85,7 77,8
v-8744-10, Китай 67,7 91,2 91,2 91,2 74,2
China 1, Китай 68,3 88,8 89,2 89,0 76,7
AGT 964/06, Чешская Республика 68,7 100,2 91,7 95,9 71,6
AGT 788/05, Чешская Республика 67 79 78,5 78,8 85,0
Merylin, Нидерланды 52,7 76,8 83,7 80,3 65,6
Альфа (стандарт), Россия 59,3 77,8 73,7 75,6 78,4
НСР 0,05 5,6 3,9 4,5
Рис. 1. Реакция коллекционных образцов льна на эдафический стресс, обусловленный высоким значениям рН почвы (вегетационный опыт, ВНИИЛ, 2017 г.)
верхней части стебля и отмирание точки роста, что указывает на избыток кальция и дефицит подвижных форм цинка в почве [16]. В наиболее сильной степени (выживаемость менее 30 %) от этого заболевания пострадали сорта Nike (Польша), Пралеска, Лира, Оршанский 2, Могилевский (Республика Беларусь) (рис. 1). Аналогичные результаты были получены белорусскими учеными на сорте льна-долгунца Пралеска, при этом урожайность льноволокна на фоне с рН 6,2, по сравнению с контролем (рН 5,0.5,2), уменьшилась в 2 раза, а длинного волокна - в 5 раз [5].
У отдельных генотипов (Могилевский, Marina, Пралеска и др.) после отмирания точки роста наблюдали отрастание стебля, что приводило к его раздвоению в нижней части. Например, у сорта Могилевский (Республика Беларусь) на нейтральном фоне раздвоение стебля фиксировали у 85,7 % растений.
Таблица 2. Оценка образцов льна на устойчивость к высоким и низким значениям рН почвы (2016-2018 гг.)
В результате исследований установлено, что устойчивостью (выживаемость более 70 %) к сильнокислой и нейтральной реакции почвенной среды обладают образцы Hermes и линия 23-4 (табл. 2). Образец к-6626 устойчив к сильнокислой реакции почвенного раствора, а к-4116, Тост 3, Вега 2 и Строитель - к нейтральной. При этом сорта Строитель и Alizee сильновосприимчивы к высокой кислотности (выживаемость менее 30 %), а Лира, Могилевский, Пра-леска, Оршанский 2 и Nike плохо растут на нейтральном фоне (рН 6,2).
При определении устойчивости к гербицидам в варианте с композицией Магнум + Гербитокс Л + Миура, в рекомендованных нормах расхода практически у всех исследуемых сортов и линий номер трепанного волокна находился на уровне 9.10, в то время, как в контроле (без применения гербицидов) -12.14 (рис. 2). Аналогичные результаты были полу-
Выживаемость
растений, %
Название, страна фон фон нейтральный (рН 6,2)
происхождения образца сильнокислый
(рН 3,9)
л. 23-4, Россия 76,9 78,6
Hermes, Франция 71,4 80,0
Тост 3, Россия 67,7 80,0
к-6626 77,9 56,2
к-4116, Япония 61,5 96,7
Вега 2, Литва 61,5 73,4
z-8744-10, Китай 53,4 66,4
Строитель, Республика Беларусь 25,0 73,4
Могилевский, Республика Беларусь 66,2 14,3
Пралеска, Республика Беларусь 53,4 22,5
Лира, Республика Беларусь 50,0 0,0
Оршанский 2, Республика Беларусь 58,3 18,7
Alizee, Франция 28,6 46,2
Nike, Польша 46,7 15,4
Marina, Нидерланды 46,7 33,3
Рис. 2. Влияние гербицидов на номер длинного волокна и длину элементарных волокон у различных генотипов льна-долгунца, 2008-2010 гг. Номер длинного волокна: I I - с применением гербицидов; - без гербицидов (контроль). Длина элементарных волокон, мм: ^^^ - с применением гербицидов; ^^ - без гербицидов (контроль).
чены и при оценке признака «длина элементарного волокна», величина которого в значительной мере определяет прядильную способность льноволокна [18]. При этом выявлены образцы, которые имели высокие показатели качества волокна, как без применения гербицидов, так и при их использовании. Это такие генотипы,как к-4616, Япония и линия 23-4, Россия.
Выводы. Использование селективных фонов позволило провести скрининг исследованных образцов
льна-долгунца на устойчивость к основным стрессовым факторам среды - засухе, высоким и низким значениям рН почвы, токсичному действию гербицидов. Среди изученных образцов льна наиболее низкую устойчивость (65,6 %) к засухе в критический период роста и развития растений проявил сорт МегуПп (Голландия), общая длина стебля которого при неблагоприятных погодных условиях составила 52,7 см (то есть выращенное сырье не кондиционно по этому признаку, а, следовательно, и не пригодно к дальнейшей переработке). Возделывание льна на сильнокислой и близкой к нейтральной по степени кислотности почве приводит к гибели либо формированию недоразвитых
растений, доля которых может достигать 71.100 %. Сорта Строитель и Alizee плохо росли на сильнокислом фоне, а Лира, Могилевский, Пралеска, Оршанский 2 и Nike - на нейтральном. Обработка посевов льна-долгунца гербицидными композициями может привести к формированию низкокачественного льноволокна (номер трепанного волокна 9.10).
Вместе с тем в результате многократных отборов на селективных фонах создана линия льна-долгунца л. 23-4 (Сальдо х Могилевский), устойчивая к засухе, высоким и низким значениям рН почвы, а также гербицидному стрессу, что указывает на перспективность селекции в этом направлении.
Литература.
1. Рожмина Т. А., Понажев В. П. Состояние и перспективы развития льняного сектора России // Вестник Российской академии естественных наук по секции межотраслевых системных исследований. 2015. № 15. С. 59-63.
2. Основные направления селекционной работы по льну-долгунцу /Л. Н. Павлова, Т. А. Рожмина, Н. И. Лошакова и др. // Труды Кубанского государственного аграрного университета. 2015. № 54. С. 241-244.
3. Жученко А. А. Проблемы адаптации в сельском хозяйстве XXI века. Значение адаптивного потенциала культурных видов растений. Стратегия адаптивной интенсификации растениеводства // Адаптивное растениеводство (эколого-генетические основы). Теория и практика. В 3 томах. М.: Агрорус, 2008. Т. I. 816 с.
4. Эколого-генетические основы селекции льна-долгунца/А. А. Жученко мл., Т. А. Рожмина, В. П. Понажев и др. Тверь: Твер. Гос. ун-т, 2009. 272 с.
5. Прудников В. А. Реакция культуры льна-долгунца на плодородие почвы // Земледелие и защита растений. Приложение к журналу. 2017. № 4. С. 21-23.
6. Тихомирова В. Я., Сорокина О. Ю., Кузьменко Н. Н. Новые аспекты в вопросах биологии и питания льна-долгунца. Тверь: Твер. Гос. ун-т, 2012. 107 с.
7. Сорокина О. Ю. Определение оптимальных агрохимических показателей льна-долгунца // Реализация методологических и методических идей профессора Б. А. Доспехова в совершенствовании адаптивно-ландшафтных систем земледелия: материалы Международной научно-практической конференции. М.: Российский государственный аграрный университет - МСХА им. К.А. Тимирязева, 2017. С. 252-256.
8. Чекмарев П. А., Купреев Е. М., Ермаков А. А. К проблеме кислотности почв Нечерноземной зоны Российской Федерации // Достижения науки и техники АПК. 2017. Т. 31. № 7. С. 14-19.
9. Effect of herbicides on yield and quality of straw and homomorphic fibre in flax (Linum usitatissimum L.) / J. Mankowskia, K. Pudefkob, J. Kofodzieja, etc. // Industrial Crops and Products. 2015. Vol. 70. Pp. 185-189.
10. Stafecka I., Stramkale1 V., Grauda D. Estemation of yield stability for flax genetic resource using regression and claster analysis // Research for Rural Development. 2016. Vol. 1. Pp. 15-19.
11. Screening for adaptation in flax (Linum usitatissimum L.) germoplasm accessions based on field trials in Canada and Russia /A. Diederichsen, T. Rozhmina, A. J. Zhuchenko, etc. //IPGRI/FAO. Plant Genetic Resources Newsletter. 2006. № 146. Pp. 9-16.
12. Селекция и первичное семеноводство льна-долгунца: методические указания / Л. Н. Павлова, Т. А. Рожмина, Н. И. Лошакова и др. Тверь: Тверской гос. ун-т, 2014. 140 с.
13. Диагностика устойчивости растений к стрессовым воздействиям: методическое руководство /под ред. Г. В. Удо-венко. Л.: ВИР, 1988. 227с.
14. Шушкин А. А. Разработка новых методов технологических испытаний льняного сырья и оценка селекционных сортов льна-долгунца: автореф. дис. ...д-ра с.-х. наук. Минск, 1960. 32 с.
15. Авиром С. М. Основные требования промышленности к качеству льняного стебля // Научно-исследовательские труды ЦНИИЛВ. М: Государственное научно-техническое издательство легкой промышленности, 1952. Т. 6. С. 23-66.
16. Прудников В. А., Евсеев П. А., Белов Д. А. Проблема кальцевого хлороза льна-долгунца // Льноводство: реалии и перспективы. Могилев: Могилевская областная укрупненная типография им. Спиридона Соболя, 2013. С. 127-134.
Screening of Samples from Flax Gene Pool for Resistance to Unfavourable Factors
T. A. Rozhmina1, N. V. Melnikova2, M. G. Golovlev3, M. I. Smirnova1, I. A. Kuzemin1
'All-Russian Flax Research Institute, ul. Lunacharskogo, 35, Torzhok, Tverskaya obl., 172002, Russian Federation 2Engelhardt Institute of Molecular Biology, Russian Academy of Sciences, ul. Vavilova, 32, Moskva, GSP-1, 119991, Russian Federation
3Kashin linen factory, ul. L'nozavoda, 2 a, Kashin, Tverskaya obl., 171640, Russian Federation
Abstract. The paper presents the results of analysis of 60 promising lines and varieties of fiber flax on resistance to the main factors, limiting yield and fiber quality: drought, high and low soil pH values, toxic effect of herbicides. Under drought conditions, the total stem length varied from 52.7 (Merylin, Holland) to 72 cm (L. 23-4, Russia; Alizee, France) depending on the genotype, with a resistance level of 65.6-85.0%. Flax genotypes resistant to strongly acidic and close to the neutral reaction of soil solution were identified (survival rate of plants was more than 70%): L. 23-4 (Russia), Hermes (France). Samples K-4116, Tost 3 (Russia), Vega 2 (Lithuania), Stroitel (Belarus) showed resistance against a background with pH 6.2, and K-6626 (Russia) were resistant to pH 3.9. In the variant with the treatment with a herbicidal composition Magnum + Herbitox L + Miura, the majority of flax genotypes had a low number of scutched fiber (9-10), while in the control without herbicides it was 12.0-13.5. K-4616 (Japan) and L. 23-4 (Russia) were the exceptions. They were characterized by high fiber quality both in the control and in the variant with the treatment of crops with the herbicidal composition. According to the results of the evaluation of flax samples against different selective backgrounds, the line L. 23-4 is considered to have a wide adaptive potential.
Keywords: resistance; flax; Linum usitatissimum L.; genotype; drought; soil acidity; herbicidal composition.
Author Details: T. A. Rozhmina, D. Sc. (Biol.), director (e-mail: [email protected]); N. V. Melnikova, senior research fellow; M. G. Golovlev,
Cand. Sc. (Med.), general director; M. I. Smirnova, junior research fellow; I. A. Kuzemin, post graduate student.
For citation: Rozhmina T. A., Melnikova N. V., Golovlev M. G., Smirnova M. I., Kuzemin I. A. Screening of Samples from Flax Gene
Pool for Resistance to Unfavourable Factors. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2018. Vol. 32. No. 10. Pp. 11-14 (in Russ.). DOI:
10.24411/0235-2451-2018-11002.
