CC BY
38
УДК 633.14 ‘’324’’: 631.527.542
A.A. Гончаренко, академик РАСХН С.А. Ермаков, кандидат сельскохозяйственных наук
A.B. Макаров, кандидат сельскохозяйственный наук Т.В. Семенова, кандидат сел ьскохозяйственньых наук
B.Н. Точилин, кандидат сельскохозяйственньых наук Научно-исследовательский институт сельского хозяйства
Центральный районов Нечерноземной зоньы
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА ПАРНЫХ СКРЕЩИВАНИЙ В СЕЛЕКЦИИ ОЗИМОЙ РЖИ
В статье описано применение метода парных скрещиваний в первичном семеноводстве сортов. Проведена сравнительная оценка уровня инбридинга в популяция ржи, полученныгх при отборе полусибсовыа и полносибсовыгх потомств. Авторами показано, что возделываемый сорт ржи в процессе семеноводства не должен претерпевать существенным изменений, однако полностью избежать этого нельзя из-за перекрестной природыI опытения. Поэтому граница между селекцией и семеноводством сорта у озимой ржи должна быть максимально стерта. Отбор полносибсовыгх потомств по методу парныгх скрещиваний в этой ситуации позволяет эффективно решать многие проблемыг сохранения идентичности сорта.
Ключевые слова: рожь, селекция и семеноводство сортов, инбридинг
В последние годы производство озимой ржи в РФ переживает болышой кризис. Посевные площади и валовые сборы зерна сократилисы более чем трехкратно, и эта тенденция пока еще сохраняется. Причин тому много, но гл авная из них - низкая
конкурентоспособносты ржи в сравнении с другими кулытурами. Проявляется это в том, что рост урожайности ржи не происходит такими же относите ыно высокими темпами, как, например, по главной зерновой кулытуре - озимой пшенице. За последние 50 лет прирост урожайности ржи в РФ составил 16,5 кг в год, а по озимой пшенице - 26,7 кг или в 1,6 раза выше. Отставание по ржи объясняется тем, что возделываемые сорта относителыно слабо реагируют на повышение ку ытуры зем еде ия и применение интенсивных техно огий возде ывания. Причина кроется в с абой се екционной проработке возде ываемых сортов по ряду признаков и, прежде всего, по устойчивости к по еганию, а ес и смотреты да ыше - в методическом несовершенстве схем и методов се екции, на основе которых они созданы.
Рожы как строго перекрестно опыляемая кулытура с малым коэффициентом размножения является трудным объектом для селекции (1). Широко применяемый массовый отбор фенотипически хороших растений на фоне свободного переопы ения не всегда обеспечивает жел аемые резулытаты, особенно по признакам с низкой нас едуемостыю. Поэтому неудивите ыно, что технология селекции этой кулытуры изобилует болышим чис ом вариаций и комбинаций раз ичных схем и методов отбора.
Болышинство отечественных сортов ржи создано методом многократного индивидуалыно-семейного отбора из гибридных популяций. Данный метод не предпо агает строгого сохранения первонача ыно отобранных по усибсовых потомств (семей), худшие из которых бракуются в основном пос е свободного
The article describes the application of the method of pair mating in the primary seed breeding of sorts. The comparative evaluation of the rye population inbreeding level obtained at the selection of semi-sibling and full sibling offsprings. The authors show that the cultivated rye sort during the seed breeding process should not undergo sufficient changes. But it is impossible to avoid this completely because of crisscross nature of pollination. That is why the boarder between selection and seed breeding must be minimal. The selection of full sibling offsprings applying pair mating method in this situation effectively helps to solve many problems of the sort identity conserving.
Key words: rye, selection and seed breeding of sorts, inbreeding.
переопыления. В этом случае известен генотип толыко материнского растения семыи, а генотип отцовских форм неизвестен, что исключает возможносты их браковки. Поэтому более правилыно было бы этот вариант отбора определит! как наполовину индивидуалыный и
напол овину массовый. Такая пол овинчатосты в принципе нежелателына, посколыку снижается резулытативносты отбора (2).
Более эффективен в этом отношении семейный отбор по методу резервов (половинок). У ржи его впервые применил В. Лаубе в 1921 г в Германии (3). Как бол ее совершенный вариант семейного отбора он позво яет бо ее направ енно управ яты процессом опы ения и получаты улучшенную популяцию. Однако и в этом с учае при свободном переопы ении родос овная отобранных потомств по отцовской инии контролируется лишы частично. Стремление к более по ному контро ю породи о субвариант этого метода с изо ированным размножением семей под изо яторами посл е проведения первого цикл а отбора.
В пос едние годы широкое применение в се екции ржи получил метод, в котором объектом отбора служат не по усибсовые, а по носибсовые (по носестринские) семыи (по нем. Vollgeschwisterfamilien или сокр. VGF). Впервые замену по усибсовых семей на по носибсовые примени Т.Во ыский в По ыше (1). При создании сорта Даныковске злоте он параллелыно с отбором полусибсов применил парные скрещивания предварителыно отобранных растений. В основу этого методического совершенства он положил концепцию Зенгбуша (4), пред ожившего во избежание инбридинга переопы яты растения из разных семей. Суты данного метода состоит во взаимном переопы ении двух самонесовместимых растений (т.е. пары) под пергаментным изолятором и пос едующем испытании по ученного потомства по методу резервов. Схематично процедура такого се екционного процесса показана на рисунок 1.
Год.
1-й
Селекиионные питомники :
2-й
3-й
4-й
5-й
Объем работ .
5000 пар
Питомник парныгх
□ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □
Разделение полносиб
□оошаоо
скрещиванй
□ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □...
совых А-семей на половинки
□ошоап
3000-4000
Полевое шикроиспытание А-семей
500-600
Размножение лучших изоляторами ( экранными
□ □ □ □ □ □ □ □ □ □ □
Разделение А2-семей
А -семей под тканевыми и др. )
□ □ □ □ □ □ □ □ □ □
на половинки
100-150
Экологическое испытание А2-семей в 3-4 пунктах
8:8::8::8: 8:8::8:8: 8: 8:8:: 8 :8 :8:8::8:: 8
к
Новый иикл парных
\
смесь четных
потомств
'смесь нечетных потомств
скрещиваний (~5000 пар)
Улучшенная популяиия
Рисунок 1 - Схема селекции озимой ржи с исполызованием метода резервов и парных скрещиваний
В первый год закладывается питомник парных скрещиваний, где семена се ектируемой попу яции высеваются ленточным способом по схеме примерно 20 х 20 х 50 см. В период колошения в питомнике проводят парные скрещивания визуалыно лучших растений. На два растения, принад ежащие к разным семыям, перед цветением надевают пергаментный изо ятор, под которым происходит их взаимное переопыление. Переопыляемые растения являются высоко самонесовместимыми, а потому имеют низкую степены самоопыления и высокий процент перекрестного опыления, т.е. образуют гибридные семена, что очены желателыно для далынейшей селекции. Потомство такого гибрида не разделяют в зависимости от того, какое растение бы о материнским, а какое отцовским. Поэтому семена от растений каждой пары смешивают, и они представ яют собой как бы потомство одного растения. 16
объем парных скрещиваний до жен быты бо ышим (~5000 пар), с тем, чтобы обеспечиты интенсивный (на уровне 10-20%) отбор потомств в последующие годы. Убранные пары обмолачивают каждую в отделыности и отбирают те, у которых образовалосы не менее 300 зерен.
На второй год закладывают сравнителыное микроиспытание А-семей без повторений, со стандартом через несколыко делянок. Для посева исполызуют толыко часты (100-150) семян изучаемых семей, а оставшиеся сохраняют в резерве. По сути, данный прием представляет собой временную изоляцию полносибсовых потомств, позволяющую исключиты худшие семыи от далынейшего переопыления с лучшими. Для последующего посева исполызуют толыко те семыи, которые при по евых испытаниях по учи и высокие оценки.
На третий год в условиях экранной (стенки типа «шпанвенде») ил и более строгой (тканевой, пленочной) изо яции высевают резервные семена то ыко тех потомств, которые по резу ытатам сравните ыного испытания оказа исы учшими. Происходит внутрисемейное переопы ение, и по ученных семян образуется достаточно для того, чтобы на четвертый год, сохранив резерв семян, можно бы о провести широкое экологическое испытание семей в 3-4 пунктах в 3-х повторениях с применением сея очного посева и производственной нормой высева. По резу ытатам эко огического испытания отбирают примерно 40 лучших А!-семей и, исполызуя резервы, проводят их переопыление. В итоге получают генетически у учшенную попу яцию. Пара е ыно часты резервных семян отобранных семей испо ызуют д я проведения второго цик а парных скрещиваний.
основная трудносты в реа изации вышеприведенной схемы состоит в по учении бо ышого чис а
полносибсовых А-семей и изолированном размножении учших из них. однако затраты стоят того, так как се екционер по учает возможносты по ностыю контро ироваты генотип обоих родите ей, что повышает эффективносты отбора и ускоряет достижение це ей селекции. В этом случае потомство двух взаимно переопыленных растений является последним вариантом сохранения нужных признаков, который может исполызоваты селекционер, не прибегая к инбридингу.
Описанная выше процедура представляет собой отбор по ных сибсов с применением изо ированного
размножения потомств. обычно на практике этого приема се екционеры стараются избегаты, чтобы не допуститы инбридинга. В этом есты резон, однако есты и свои п юсы, особенно ес и учесты, что возникший инбридинг можно устраниты и довести до ну евого уровня путем переопы ения соответствующего ко ичества семей. Выгода же состоит в том, что в с учае изо ированного размножения генетически ценные свойства материнского и отцовского родите ей егко фиксируются и сохраняются, а от нежелателыных можно избавитыся путем пос едующей браковки п охих потомств. Естественно, переопыление в предел ах семыи приводит к родственному скрещиванию, что неб агоприятно отражается на жизненности и урожайности попу яции. Проб ема усугуб яется, ес и в се ектируемую попу яцию объединяется ма ое ко ичество родонача ыных семей. В этом с учае возникает допо ните ыный инбридинг, который еще болыше снижает продуктивносты популяции. Концепция о необходимости сохранения максима ыной гетерозиготности попу яций ржи д я достижения высокой продуктивности яв яется общепризнанной. И.М^оп (5), А.МиШш§ (6), определили рожы как силыно чувствител ыную к инбридингу. Из селекционной практики также известно, что при проведении отбора не с едует пренебрегаты возможной депрессией от возникающего инбридинга в попу яциях ржи (7, 8, 9).
Известно, что инбредная депрессия уменышается, если число родителей возрастает. Однако в этом случае средняя продуктивносты популяции возрастает толыко до опреде енного преде а, затем этот рост прекращается. Объясняется это нивелирующим эффектом возрастающего чис а родите ыских компонентов. Каждая новая родителыская форма, добавленная к тем, которые уже отобраны, хотя и уменышает потери, обусловленные инбредной депрессией, все же мало способствует уве ичению продуктивности попу яции из-за недостаточно высокого уровня ее комбинационной способности. Подтверждением тому с ужит тот факт, что с уве ичением чис а отбираемых семей закономерно снижается се екционный дифференциа , а се ектируемая попу яция приб ижается к исходному уровню.
Согл асно Басбайсу, (10) инбридинг Б в синтетических попу яциях обратно пропорциона ен чис у (п) переопыляемых родителыских генотипов (Б= 1/2п).
Однако при исполызовании полусибсов и полных сибсов функционалыная зависимосты между Б и п несколыко видоизменяется, так как в этом с учае чис о родите ей опреде яется не то ыко ко ичеством переопы яемых семей, но и ко ичеством генотипов внутри каждой семыи, коэффициент родства между которыми равен 0,25 в с учае по усибсов и 0,50 в с учае по ных сибсов.
Пос еднее может вноситы существенную поправку в уровены инбридинга попу яции, поско ыку при размножении семыи под изо яторами ее чис енносты уве ичивается. В этом с учае вероятносты внутрисемейного скрещивания родственных генотипов заметно возрастает, что в ечет допо ните ыный уровены инбридинга.
Сравнителыную оценку уровня инбридинга в попу яциях ржи, по ученных при отборе по усибсовых и по носибсовых потомств, мы произве и на основе уравнений, предл оженных нами ранее (11). Полученные резу ытаты представ ены в таб ице 1, а графически показаны на рисунке 2. Как видно, в обоих вариантах отбора при уве ичении чис а родонача ыных семей уровены инбридинга попу яций закономерно снижается, и тол ыко при переопыл ении 35-40 семей и бол ее его вел ичина составляет менее 1%. Особенносты состоит в том, что в с учае изо ированного размножения по носибсовых семей уровены инбридинга синтезируемых попу яций при одинаковом чис е родите ыских компонентов в 2,22 раза выше, чем при отборе по усибсовых. Причем, это превышение сохраняется при юбом ко ичестве родонача ыных семей. Если вместо изолированного размножения семей примениты свободное их переопы ение, то раз ичие в уровне инбридинга между сравниваемыми вариантами будет ровно 2- кратным, что объясняется 2-кратной разницей в степени родства между по усибсами и по ными сибсами. Добавочный инбридинг ве ичиной в 0,22 раза обусловлен тем, что при синтезе улучшенной попу яции в переопы ении участвова и уже инбредные А*-семыи, у которых коэффициент инбридинга составил Б=0,25 в резулытате изолированного размножения.
Т аблица 1 - Коэффициент инбридинга (Б) в популяциях ржи, полученных от переопыления различного числа полусибсовых и полносибсовых семей
Число переопыляемых семей (п) полусибсы полные сибсы
свободно переопы- ленные изолиро- ванно размножен ные свободно переопы- ленные изолиро- ванно размножен- ные
1 0,1250 0,1406 0,2500 0,3125
5 0,0250 0,0281 0,0500 0,0625
10 0,0125 0,0141 0,0250 0,0312
15 0,0083 0,0094 0,0167 0,0208
20 0,0062 0,0070 0,0125 0,0156
25 0,0050 0,0056 0,0100 0,0125
30 0,0042 0,0047 0,0083 0,0104
35 0,0036 0,0040 0,0071 0,0089
40 0,0031 0,0035 0,0062 0,0078
45 0,0028 0,0031 0,0056 0,0069
50 0,0025 0,0028 0,0050 0,0062
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0,05
- полные сибсы
полусибсы А полусибсы А1 полны1е сибсы А ----полны1е сибсы А1
ю
45
50
15 20 25 30 35 40
Число переопыляемых семей
Рисунок 2 - Вероятный уровень инбридинга (Б) в популяциях ржи при переопылении различного числа полусибсовых и полсибсовых семей
Ранее нами было показано (12), что при возрастании коэффициента инбридинга на 1% урожайность популяций ржи снижается на 1,2%. Если исходить из этой пропорции, то в случае отбора полусибсов в минимуме можно ограничиться переопылением 20 лучших А^потомств, так как вероятный уровень инбридинга составит Б=0,70%, а снижение урожайности от инбредной депрессии не превысит 0,84%. В случае парных скрещиваний растений и отбора изолированно 18
размноженных полносибсовых потомств аналогичный уровень инбридинга селектируемая популяция будет иметь при переопылении 40 А^потомств (Б=0,78%), т.е. при удвоенном их количестве. Мы полагаем, что это количество родительских компонентов можно считать как минимально допустимое при отборе полносибсовых потомств. Важно отметить, что при синтезе улучшенной популяции резервные семена лучших 40 А^потомств не следует просто смешивать и свободно переопылять. Чтобы избежать дополнительного инбридинга и получить более выровненную популяцию, необходимо разделить отобранные потомства на две равные группы (например, по четным и нечетным номерам), затем семена в пределах группы смешать и высеять параллельно рядами для проведения межгрупповых парных скрещиваний.
Т аблица 2 - Результаты отбора полусибсовых и полносибсовых А-потомств озимой ржи по методу резервов
Селектируемые популяции Год оцен ки Полусибсовые потомства Полносибсовые потомства
Всего изучено Отобрано % отбора Всего изучено Отобрано % отбора
ГК-870/99 2005 472 55 11,6 704 169 24,0
П-12/92 2006 313 67 21,4 552 168 30,4
П-11/92 2007 370 58 15,7 1052 301 28,6
ГК-984/01 2008 332 53 16,0 537 118 22,0
Среднее: 16,2 26,3
Таблица 3 - Селекционная характеристика сорта озимой ржи Московская 12, полученного методом парных скрещиваний (2008)
Сорт Урожайность, ц/га Зимостойкость, % Высота растений, см Устойчивость к полеган., балл Масса 100 зерен, г Натура зерна, г/л Число падения, сек.
Валдай стандарт 68,6 95,0 152 4,8 32,5 709 112
Московская 12 72,5 98,4 147 5,5 32,1 708 187
±от стандарта 3,9* 3,4 5 0,7 -0,4 -1 75
*различие достоверно на 5% уровне значимости
В этом случае потомство полученных пар будет неинбредным, что очень важно для синтеза улучшенной популяции. Такой прием позволяет снять инбридинг, обусловленный изолированным размножением
полносибсовых семей. Что касается потенциального инбридинга в синтезируемой популяции, то он будет полностью определяться числом полносибсовых потомств, только уже не изолированно размноженных, а свободно переопыленных.
Экспериментальную проверку эффективности
отбора потомств от парных скрещиваний мы провели в 2005-2008 гг. На базе 4-х гибридных популяций был проведен отбор полусибсовых и полносибсовых потомств, полевое испытание которых проводилось в селекционном питомнике в один и тот же год (таблица 2). Основной вывод из этого сравнения сводится к тому, что в количественном отношении отбор полносибсовых семей на 10% превосходит результаты, полученные при отборе полусибсов. О качестве отбираемых потомств можно судить по данным таблицы 3, где приведена селекционна% характеристика сорта озимой ржи Московская 12, полученного методом парных скрещиваний. Как видно, при отборе полносибсовых потомств можно улучшить попул%цию по урожайности, зимостойкости, короткостебельности, устойчивости к полеганию, а также сформировать хорошо выровненный стеблестой.
Эффективность отбора полносибсовых семей можно повысить, применив метод предварительного клонирования исходных растений, подлежащих взаимному переопылению. Идею использования клонов ржи в селекционных цел%х впервые высказал Велленсик (13), который продемонстрировал возможность вегетативного размножени% растений ржи при весеннем посеве и предложил две схемы селекции ржи с применением этого метода. В дальнейшем он модифицировал метод резервов применительно к вегетативному потомству отобранных растений, определив его как метод вегетативных половинок (14).
В 1980-е годы в Германии метод клонирования получил дальнейшее методическое развитие (15). Суть его в том, что в 1-й год провод%т клонирование исходных растений до 20 растений в клоне, затем все части клона случайно комбинируют по 2 от каждого исходного растени% и провод%т парные переопылени% (с помощью изоляторов или стенок «шпанвенде»). При использовании клонов степень перекрестного опылени% достигает 100%, а от одной пары клонов можно получить достаточное количество семян для проведения полевых испытаний потомств в нескольких пунктах. Новый сорт создаетс% примерно на базе 20 лучших потомств путем свободного их переопылени%. Метод клонировани% сокращает цикл селекции на 1 год, не требует изолированного размножени% полносибсовых семей, но требует много ручного труда и дополнительных финансовых затрат. Зато по эффективности его можно приравн%ть к линейному отбору у самоопыляющихся культур. В последние годы этот комбинированный метод полностью заменил традиционный полусибсовый отбор по причине лучшей генетической дифференциации селектируемых попул%ций.
Особого внимани% заслуживает применение метода парных скрещиваний в первичном семеноводстве сортов. Хотя возделываемый сорт ржи в процессе семеноводства не должен претерпевать существенных изменений, однако полностью избежать этого нельз% из-
за перекрестной природы опыления. Поэтому граница между селекцией и семеноводством сорта у озимой ржи должна быть максимально стерта. Возделываемые сорта ржи должны находиться под постоянным контролем селекционеров. Если их оставить без селекционной опеки и не проводить поддерживающей селекции, то многие ценные свойства будут постепенно трансформироваться в худшую сторону. Отбор
полносибсовых потомств по методу парных
скрещиваний в этой ситуации позвол%ет эффективно решать многие проблемы сохранения идентичности сорта.
Литература
1. Wolski T. Metody hodowli zyta //In Biologia Zyta.-Pod red.Cz.Tarkowskiego.-Warszawa, 1983.-S.186-247.
2. Tarkowski Cz. Genetyka, Hodowla Roslin,
Nasiennictwo.Warszawa, PWN, 1974, 412 s.
3. Laube W., Quadt F. Getreide Zuchtung. Roggen (Secale cereal L) // Handbuch der Pflanzenzuchtung, Bd.2, Berlin, 1955, S.35-160.
4. Sengbusch R.V. Parchenzuchtung unter Ausschaltung von Inzuchtschaden //Forschungdienst, 1940, 10, S.545-549.
5. Nilsson H. Eine Prufung der Wege und Theorien des Inzucht.//Hereditas, 1937,1-2,s.236-256.
6. Muntzing A. Genetical effects of duplicated fragment chromosomes in rye // Hereditas, 1943, 29, p.91-112.
7. Краснюк, A.A. Узкородственное разведение у ржи /A.A. Краснюк // Труды Саратовской оп.ст. М.: Изд. ВАСХНИЛ, 1935, вып1, 50 с.
8. Пахомова, В.П. Пути повышения эффективности отбора в пределах сорта озимой ржи /В.П.Пахомова //Бюл.Украинского НИИ растениеводства, селекции и генетики. Харьков, 1958, №4, с.10-14.
9. Wolski T. Studies on the inbreeding of rye //Genetica Polonica,-1971, v.11, №1, s.1-26.
10. Busbice T.H. Inbreeding in synthetic varieties //Crop Sci., 1969, 9, p.601-604.
11. Гончаренко, A.A. Определение коэффициента
инбридинга в попул%ци%х ржи, полученных при семейном отборе /А.А.Гончаренко //
Сельскохозяйственная биология, 1981, т.ХVI, №4, с.552-566.
12. Гончаренко, A.A. Реакция популяций ржи на низкий уровень инбридинга / А.А.Гончаренко // Генетика, 1985, т.ХХ! №2, с. 274-282.
13. Wellensiek S.J. Nienve methoden voor roggessele mit behulp van vegetative vermeerdering // Zaaizaad in Pootgoed, 1940, 2, 7, p.9-11.
14. Wellensiek S.J. Rational methods for breeding crossfertilizers//Meded Landbouwhog-geschool, 1947, 48, p.227-262.
15. Miedaner T. Zuchtung//In Buch: Roggen-Getreide mit Zukunft.-DLG-Verlag- GmbH.-2007. S.27-51.
