Научная статья на тему 'Межвидовая совместимость тетраплоидных пшениц Triticum durum dest и Triticum timopheevii Zhuk'

Межвидовая совместимость тетраплоидных пшениц Triticum durum dest и Triticum timopheevii Zhuk Текст научной статьи по специальности «Сельское хозяйство, лесное хозяйство, рыбное хозяйство»

CC BY
202
120
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ТВЕРДАЯ ПШЕНИЦА / ПШЕНИЦА ТИМОФЕЕВА / МЕЖВИДОВЫЕ ГИБРИДЫ / НЕСОВМЕСТИМОСТЬ / СКРЕЩИВАЕМОСТЬ / ГИБРИДИЗАЦИЯ / ГЕТЕРОЗИГОТНОСТЬ / ОТЦОВСКАЯ И МАТЕРИНСКАЯ ФОРМЫ / ФАКТОРЫ СРЕДЫ / DURUM WHEAT / TIMOPHEEVII WHEAT / INTERSPECIFIC HYBRIDS / INCOMPATIBILITY / CROSSIBILITY / HYBRIDIZATION / HETEROZYGOSITY / PATERNAL AND MATERNAL FORMS / ENVIRONMENTAL FACTORS

Аннотация научной статьи по сельскому хозяйству, лесному хозяйству, рыбному хозяйству, автор научной работы — Хлебова Любовь Петровна

В условиях четырех различных вегетаций выполнены скрещивания пяти сортов твердой пшеницы с тремя формами T. timopheevii. Установлено, что совместимость видов высока. Исходная гетерозиготность материнской формы не влияет на успех гибридизации. Факторы внешней среды оказывают существенное влияние на результаты межвидовой совместимости.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Interspecific Compatibility of Tetraploid Wheat Triticum durum Desf. and Triticum timopheevii Zhuk

Five sorts of durum wheat were interbreed with three forms of T. timopheevii under conditions of four different vegetations. It was stated that the compatibility of the species is high. The initial heterozygosity of maternal form hasn't effect on the hybridization success. The environmental factors have essential influence on the interspecific compatibility results.

Текст научной работы на тему «Межвидовая совместимость тетраплоидных пшениц Triticum durum dest и Triticum timopheevii Zhuk»

УДК 633.11:575.22

Л.П. Хлебова

Межвидовая совместимость тетраплоидных пшениц Triticum durum Desf. и Triticum timopheevii Zhuk.

Ключевые слова: твердая пшеница, пшеница Тимофеева, межвидовые гибриды, несовместимость, скрещиваемость, гибридизация, гетерозигот-ность, отцовская и материнская формы, факторы среды.

Key words: durum wheat, timopheevii wheat, interspecific hybrids, incompatibility, crossibility, hybridization, heterozygosity, paternal and maternal forms, environmental factors.

T. timopheevii - эндемичный для Закавказья вид

- впервые обнаружен П.М. Жуковским в 1922 г. и описан как T. dicoccoides v. timopheevii. Впоследствии на основе ряда биоморфологических признаков выделен в самостоятельный вид. Выращивался в смеси с T. monococcum L. (популяция Зандури), в настоящее время не возделывается [1].

Растения этого вида не требовательны к теплу, устойчивы к избыточному увлажнению; зерно имеет высокую стекловидность, отличные хлебопекарные качества, содержание белка составляет 19-22%, лизина в белке - 1,56-1,88% [2]. T. timopheevii обладает высокой фотосинтетической поверхностью листьев, доля флагового листа в общей площади листьев достигает 27%. По своим продукционным возможностям этот вид не уступает распространенным сортам яровой пшеницы; отдельные растения его могут работать так же эффективно, как и растения сортов интенсивного типа [3]. Пшеница Тимофеева характеризуется комплексным иммунитетом к ряду фитопатогенов и вредителей.

Известен ряд попыток интрогрессировать хозяйственно ценные особенности пшеницы Тимофеева в культурные виды, в частности в мягкую пшеницу. Успешными они оказались при передаче отдельных, просто наследуемых признаков, например устойчивости к болезням [4; 5]. Возможность отбора в гибридном потомстве рекомбинантов по признакам, имеющим сложный генетический контроль: холодостойкость, влагостойкость, высокая активность фотосинтеза, оценивается как маловероятная в силу низкой совместимости вида с возделываемыми пшеницами.

Гибридизация T. timopheevii с твердой пшеницей до настоящего времени не получила широкого использования и является резервом пополнения генофонда данной культуры, обладающей низким потенциалом адаптивных свойств. В связи с этим интерес представляло изучение совместимости этих видов в различных условиях выращивания.

Для получения межвидовых гибридов были использованы пять сортов твердой пшеницы из различных эколого-географических зон: Алтайка (Алт.), селекции Алтайского НИИСХ, Шортандинская 71 (Ш.71) из Казахстана, Оренбургская 2 (Ор.2), созданная в Оренбургском НИИСХ, Ангара (Ан.), селекции Красноярского НИИСХ, образец I 310100 из США и три формы T. timopheevii v.viticulosum (T.t.): к-47793, к-18105 и к-38555 из коллекции ВИР. Гибридизацию проводили путем искусственной кастрации материнских колосьев, их изоляции и последующего опыления пыльцой отцовских форм с использованием твелл-метода. Гибридные семена получали в условиях зимне-весенней (Т-1) и осенне-зимней (Т-2) вегетаций в селекционной теплице ангарного типа и двух полевых вегетаций (П-1) и (П-2). Совместимость видов оценивали как процент завязавшихся зерен от числа опыленных цветков. Результаты обрабатывали методом дисперсионного анализа [6].

В таблице 1 представлены результаты скрещивания T. durum с T. timopheevii по 15 комбинациям. Сорта твердой пшеницы использованы в качестве материнской формы, так как данный вид является реципиентом полезных признаков пшеницы Тимофеева. Данные, полученные в полевую вегетацию (П-1), свидетельствуют о том, что уровень совместимости исходных видов в условиях Алтайского края довольно высок. В среднем для всего набора гибридов он составил 48,3%, изменяясь от 13,1 до 65,5%. Причем подавляющее большинство гибридов получено с успехом не менее 40%. В вегетацию Т-1 в теплице средняя скрещиваемость была на 11,7% меньше - изменились пределы варьирования признака (8,4-51,0%). Кроме того, треть всех комбинаций выполнена с успехом, не превышающим 30%. В среднем одинаковые результаты получены в тепличную (Т-2) и полевую (П-2) вегетации. Различия состояли в более низком нижнем пределе варьирования признака в полевых условиях (8,8%). Однако успех получения остальных гибридов составил не менее 47,1%. Варьирование скрещиваемости в условиях вегетации Т-2 находилось в пределах 31,4-84,6%.

Средние по строкам таблицы позволяют наблюдать изменчивость получения зерен F1 в различных условиях для определенной пары родителей: за четыре вегетации вариабельность составила от 42,2 до 64,1%.

Таким образом, представленные результаты свидетельствуют о том, что средний уровень совместимости

Таблица 1

Скрещиваемость сортов твердой пшеницы с образцами T. timopheevii

Комбинация скрещивания Вегетация

П-1 Т-1 Т-2 П-2 Среднее, %

Кастрировано цветков но % е, & u лр ое С " Кастрировано цветков Получено зерен, % Кастрировано цветков но % е, & u лр ое Позе Кастрировано цветков но % е, & u лр ое Позе

1. Алт. х T. t. 47793 376 49,2 230 26,9 162 35,8 668 58,4 42,6+2,1

2. Алт. х T. t. 18105 740 43,3 458 27,7 100 61,0 384 51,3 45,8+2,5

3. Алт. х T. t. 38555 524 49,7 678 49,6 670 55,7 660 65,8 55,2+3,2

4. Ан. х T. t. 47793 384 61,5 434 49,3 646 58,9 550 68,3 59,5+2,3

5. Ан. х T. t. 18105 500 13,1 482 26,4 592 64,9 444 66,4 42,7+2,0

6. Ан. х T. t. 38555 494 58,4 428 50,9 510 65,5 536 81,4 64,1+3,4

7. Ор.2 х T. t. 47793 456 48,6 450, 43,1 566 53,7 394 52,8 49,6+1,2

8. Ор.2. х T. t. 18105 734 59,9 522 43,1 522 62,3 250 51,2 54,1+2,3

9. Ор.2 х T. t. 38555 436 65,5 360 40,3 558 64,9 524 73,7 61,1+3,5

10. Ш.71 х T. t. 47793 558 59,4 226 8,4 544 37,3 470 63,6 42,2+2,2

11. Ш.71 х T. t. 18105 316 28,7 482 38,6 338 31,4 248 80,6 44,8+1,7

12. Ш.71 х T. t. 38555 320 54,5 472 16,3 514 62,1 206 47,1 45,0+1,4

13. I 310100 х T. t. 47793 324 46,0 470 48,3 540 84,6 350 8,8 46,9+1,2

14. I 310100 х T. t. 18105 510 41,1 304 51,0 490 71,8 288 68,8 58,2+2,4

15. I 310100 х T. t. 38555 452 44,9 466 28,5 540 78,2 240 59,6 52,8+2,8

Среднее, % 48,3+4,0 36,6+3,9 59,2+4,5 59,9+6,1 51,0+3,4

твердой пшеницы с T. timopheevii довольно высок и составляет 51,0%.

Одним из способов повышения завязываемо сти зерен и преодоления их нежизнеспособности при отдаленных скрещиваниях различных культур является использование гибридных форм в качестве компонентов скрещивания. Так, исходная гетерозиготность как отцовского, так и материнского организмов способствовала завязываемости зерен при скрещивании мягкой и твердой пшениц, в 1,5 раза превышая успех простых скрещиваний [7].

Учитывая, что уровень совместимости видов T. durum и T. timopheevii существенно ниже эффективности внутривидовой гибридизации, а также известные из литературы сложности работы с последующими поколениями отдаленных гибридов, в программу исследования было включено межсортовых скрещиваний пшеницы. Десять гибридов первого поколения, полученных от скрещивания пяти сортов T. durum по неполной диаллельной схеме, служили в качестве материнской формы. Отцовским родителем была T.t. к-47793.

Средний уровень завязываемости гибридных зерен Fj составил в условиях П-1, Т-2 и П-2 вегетаций 49,5, 44,6 и 53,7% соответственно (табл. 2). Среднее значение скрещиваемости по данному набору гибридов

(49,3%) было близким к результату получения зерен Р15 когда материнскими формами служили сорта твердой пшеницы (табл. 1). Следовательно, гетерозиготность одного из партнеров не оказала существенного влияния на совместимость твердой и Тимофеева пшениц. Возможно, это связано с тем, что несовместимость родительских видов на этапе получения семян Б1 проявляется весьма умеренно.

Факт относительно хорошей скрещиваемости изученных видов в различных условиях среды, установленный для сравнительно большого набора гибридных комбинаций, не согласуется с противоречивыми сведениями, известными ранее, и поэтому заслуживает внимания.

Репродуктивная изоляция в природе может создаваться генетически обусловленными различиями в строении репродуктивных органов, биологии размножения или во взаимоотношениях по плодовитости. Барьеры, препятствующие скрещиванию, могут быть также внешними, действующими до опыления. Это временная и пространственная изоляция. Российским НИИ растениеводства им. Н.И. Вавилова ведутся постоянный сбор и сохранение зародышевой плазмы различных сельскохозяйственных растений, в том числе и пшеницы. Нужный набор сортообраз-цов независимо от их естественного местообитания

Таблица 2

Скрещиваемость Ft межсортовых гибридов твердой пшеницы с T. timopheevii к-47793

Материнская форма Вегетация

П-1 Т-2 П-2 Среднее, %

Кастрировано цветков Завязалось зерен, % Кастрировано цветков ь с о % § к ве аз З Кастрировано цветков ь с о % § к ве аз З

1. I3100100 х Алт. 1SS 49,2 270 55,9 518 50,6 51,9±1,1

2. I3100100 х Ан. 120 42,5 578 31,6 778 52,2 42,1±1,З

3. I3100100 х Ор. 2 164 49,3 220 76,4 108 46,3 57,З±2,5

4. I3100100 х Ш. 71 190 37,6 290 39,0 418 61,0 45,9±1,4

5. Ш. 71 х Алт. 176 50,4 232 35,3 470 45,3 4З,7±1,1

6. Ш. 71 х Ан. 282 43,6 304 53,9 332 67,2 54,9±2,З

7. Ш. 71 х Ор. 2 358 44,5 252 47,2 462 56,5 49,4±1,1

8. Алт. х Ан. 194 63,0 180 30,0 378 38,4 4З,8±1,7

9. Алт. х Ор. 2 252 63,1 258 42,6 470 59,6 55,1±2,2

10. Ан. х Ор. 2 166 52,4 246 33,7 472 60,2 48,8±1,4

Среднее, % 49,5±0,5 44,6±0,7 5З,7±1,4 49,З±2,1

предоставляется учреждениям в определенную экологическую точку. Таким образом, пространственная изоляция преодолима. Легко устранима и временная: цветение партнеров, различающихся по вегетационному периоду, можно совместить путем высева их в несколько сроков.

Труднее преодолеть внутреннюю репродуктивную изоляцию. Первое ее проявление - несовместимость. Под несовместимостью принято понимать различного рода барьеры, препятствующие образованию и развитию гибридного зародыша. В некоторых случаях пыльцевое зерно дегенерирует в момент попадания на рыльце «чужого» пестика. В других - снижен рост пыльцевых трубок, на их концах образуются вздутия, что приводит к прекращению роста. При гибридизации пшеницы с рожью установлено, что пыльца ржи с одинаковой скоростью проникает в рыльце и растет в столбиках цветков разных сортов пшеницы. Но у плохо скрещивающихся сортов пыльцевые трубки прекращают свой рост у основания столбика [8]. В других случаях оплодотворение происходит нормально, формируется гибридный зародыш. Однако из-за несовместимости с эндоспермом зародыш может преждевременно погибнуть. Эмбриональная гибель наблюдается у гибридов тритикале (2п=42) с твердой пшеницей, ячменя с различными видами пшениц, Т. timopheevii с мягкой пшеницей [9; 10].

Анализ совместимости видов в роде ТгШсит показывает, что 100-процентная гибель гибридного эмбриона есть крайнее проявление постгамной изоляции, она наблюдается, как правило, при скрещивании ди- и гексаплоидных пшениц. Для других межвидовых

гибридов этого рода она характерна лишь отчасти и выражена в большей или меньшей степени. Пшеница Тимофеева является примером межвидовой дивергенции, генетической изоляции и занимает особое место в роде Triticum. При скрещивании ее с тетраплоидными видами получены различные результаты. Гибридизация ее с культурной полбой и твердой пшеницей в эксперименте, выполненном Ф. Лилиенфельдом [11], обеспечила высокую завязываемость гибридных зерен, которые имели 100-процентную всхожесть. В других случаях удавалось получить лишь единичные зерновки, большая часть которых оказалась нежизнеспособной [12]. Работы, выполненные в 50-70-е гг. прошлого столетия, свидетельствуют о сильном варьировании результатов получения зерен F1 при гибридизации твердой и Тимофеева пшениц как в прямых (0,4-77,5%), так и в обратных скрещиваниях (0,7-87,9%) [13].

Таким образом, имеющиеся в литературе сведения о совместимости видов T. durum и T. timopheevii противоречивы. В различных почвенно-климатических условиях России и за рубежом в гибридизацию вовлекался разнообразный материал исходных родительских видов. Противоречивость результатов объясняли как генетическими особенностями родительских форм, так и своеобразием конкретных экологических зон.

Одной из причин противоречивости данных, наряду с обозначенными выше, является, по нашему мнению, несовершенство метода искусственного опыления. До 70-х гг. основными методами опыления были принудительный (пыльцой, стряхнутой с цвету-

Таблица 3

Влияние генотипического разнообразия родительских форм и условий среды на получение гибридов Fj T. durum х T. timopheevii

Источник варьирования df mS Fф df mS Fф

А В А В А В

Генотипы 14 9 210,7б 99,48 0,88 1,01

Условия 3 2 1837,70 213,05 7,71* 2,15

Взаимодействие генотипыхусловия 1 1 41,2б 4б2,53 0,17 4,б8*

Случайное 41 17 238,33 98,87

Примечание 1: df - число степеней свободы; mS - средний квадрат; Fф - фактическое значение F-критерия по фактору; * - достоверно при уровне Р = 0,05.

Примечание 2: А - комбинации с участием сортов T. durum; В - комбинации с участием F1 межсортовых гибридов T. durum.

щих отцовских колосьев, или их зрелыми пыльниками) и ограниченно-свободный. В последнем случае цветущие колосья помещались в емкости с водой под общий с группой кастрированных колосьев изолятор. Эти методы позволяли получать достаточное количество семян F1 при выполнении межсортовых скрещиваний. Однако производительность гибридизации была весьма низкой. Стряхивание пыльцы или сбор зрелых пыльников и нанесение (вложение) их в зрелый цветок материнского колоса занимали в 2-3 раза больше времени, чем кастрация. Ограниченность сроков цветения делала практически невозможным проведение гибридизации по большому набору комбинаций при кастрации и опылении сотен цветков по каждой из них. Кроме того, весьма затрудненным оказалось соблюдение оптимальных сроков опыления. Это, в свою очередь, практически исключало сравни-ваемость полученных результатов.

Использование твелл-метода способствовало резкому увеличению объемов и повышению качества опыления, а в целом - гибридизации. Высокая производительность опыления (до 90 колосьев в час) нативной пыльцой обусловила возможность анализа собственно совместимости исходных родительских форм. Кроме того, и для гибридов отдаленных скрещиваний стали реальными соблюдение принципа единства различий и статистическая обработка полученных данных.

Так, приведенные в таблице 1 и 2 экспериментальные данные послужили исходными для выяснения достоверности влияния используемого генотипического разнообразия (фактор «генотип») и условий среды (фактор «условия») при получении первого поколения межвидовых гибридов T. durum х T. timopheevii. Двухфакторный дисперсионный анализ позволил установить, что статистически значимое влияние на совместимость видов оказывают условия среды (получение простых гибридов) и генотип-средовое взаимодействие (использование межсортовых ги-

бридов F1 в качестве материнской формы) (табл. 3). Следовательно, увеличение генотипического разнообразия родительских форм вследствие межсортовой гибридизации реализуется в специфической реакции конкретного гибрида на изменение условий внешней среды. Роль остальных рассмотренных факторов несущественна.

Количественная оценка доли участия изучаемых факторов в изменчивости признаков показала, что варьирование результатов скрещиваемости на треть определяется условиями гибридизации (30,7%). Преимущественный вклад в вариабельность данного признака (69,1%) вносят неучтенные факторы, характеризующиеся как случайная изменчивость. В частности, в нее входят травмы чешуй при кастрации молодых колосьев, повреждение перистого рыльца злаков при запаздывании кастрации, а также несвоевременность опыления. Следовательно, высокая скрещиваемость видов, установленная в нашем эксперименте, не является результатом использования в гибридизации относительно ограниченного разнообразия исходных родительских форм, а характеризует общий уровень совместимости тетраплоидных пшениц T. durum и T. timopheevii. Учитывая высокую средовую изменчивость признака, можно предположить, что разработка оптимальных режимов для гибридизации данных видов в искусственных условиях, возможно, является одним из путей повышения их потенциальной совместимости.

Таким образом, уровень совместимости твердой и Тимофеева пшениц в условиях Алтайского края относительно высок и в среднем составляет около 50%; использование Fj межсортовых гибридов T. durum в гибридизации с пшеницей Тимофеева не влияет на уровень совместимости данных видов; условия среды оказывают существенное влияние на изменчивость результатов получения гибридов F1 T. durum х T. timopheevii.

Библиографический список

1. Беридзе, Р.К. Получение компонента популяции Зан-дури - T. timopheevi Zhuk. / Р.К. Беридзе, А.Д. Горгидзе // Генетика. - 1970. - Т. 6, №1.

2. Конарев, В.Г. О природе геномов пшеницы / В.Г. Кона-рев // Роль отдаленной гибридизации в эволюции и селекции пшеницы : тез. докл. Всесоюзн. совещ. - Тбилиси, 1985.

3. Касьянов, П.Ф. Морфофизиологическая характеристика редких видов пшеницы : автореф. дис. ... канд. биол. наук / П.Ф. Касьянов. - М., 1986.

4. Скурыгина, Н.А. Пополнение запаса генов устойчивости мягкой пшеницы к бурой ржавчине и мучнистой росе за счет интрогрессивной гибридизации с тетраплоидными видами (Triticum timopheevii, T. dicoccum, T. persicum) / Н.А. Скурыгина // Роль отдаленной гибридизации в эволюции и селекции пшеницы : тез. докл. Всесоюзн. совещ.

- Тбилиси, 1985.

5. Shands, R.G. Desease Resistance of T. timopheevii Transferred to Common Winter Wheat / R.G. Shands // Amer. Soc. Agron. J. - 1941. - V. 33, №6.

6. Лакин, Г.Ф. Биометрия / Г.Ф. Лакин. - М., 1990.

7. Турбин, Н.В. Влияние предварительной межсортовой гибридизации на жизнеспособность гибридов твердой

пшеницы с мягкой / Н.В. Турбин, Т.С. Кондилева // Вопросы экспериментальной генетики. - Минск, 1965.

8. Ригин, Б.В. Генетические основы и перспективы гибридизации Triticum L. х Secale L. : автореф. дис. ... д-ра биол. наук / Б.В. Ригин. - Л., 1986.

9. Шумный, В.К. Получение ячменно-ржаных и ячменнопшеничных гибридов на основе культурных сортов ячменя / В.К. Шумный, Л.А. Першина, Л.И. Белова // Цитология и генетика. - 1982. - Т. 16, №3.

10. Козловская, В.Ф. Изменчивость результатов гибридизации Triticum aestivum L. с T. timopheevii Zhuk. / В.Ф. Козловская, Г.М. Мусалитин // Генетика. - 1992. - Т. 28, №9.

11. Lilienfeld, F. Genomanalyse bei Triticum und Aegilops. V. Triticum timopheevi Zhuk. / F. Lilienfeld, H. Kihara // Cyto-logia. - 1934. - V. 6, №1.

12. Ерицян, А.А. Цитогенетическое исследование T. timopheevi Zhuk. / А.А. Ерицян // Тр. Тбилис. бот. ин-та АН Груз. ССР. - Тбилиси, 1942. - Т. 8.

13. Удольская, Н.Л. Некоторые биологические проблемы гибридной пшеницы / Н.Л. Удольская, Г. Л. Банников, Н.А. Хайленко и др. // Селекция и семеноводство полевых культур. - Алма-Ата, 1981.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.