CC BY
49
Научно- технический
«г
бюллетень
Нссросснйско! О 11ау1Ш1МКС;1С,К>иЛ1еЛЬСкЧ>1 о Шк'ППЛТа масличных культур
?.()() V Ч1.Ш MPO i
Л.Б. Дьяков,
кандндаг биологических наук
К). Г. Кой ко,
научный сотрудник
Г,Д. Васильева,
капли.ча г сельскочочяйсг^сипих наук
ВНИИ масличных культур
ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ИНТЕНС ИВНОСТИ ОТБОРОВ И Î ПЕРЕКРЕСТНООПЫЛЯЮЩИХСЯ ПОПУЛЯЦИЙ
УДК 633.854.78:631.52
Независимо от используемого метода селекции ее основой является отбор наилучших особен и семей в качестве родителей следующего поколения. Поэтому селекционный прогресс в значительной, часто в решающей степени определяется результативностью отборов внутри популяций. Особенно важно оптимизировать на научной основе методику отборов на урожайность и другие количественные признаки при работе с перекрестноопыляющимися популяциями. ГÏри этом необходимо учитывать основные факторы, определяющие величину селекционного сдвига при отборе.
Сдвиг при отборе (реакция на отбор) оценивается разницей между фенотипиче-ской средней величиной признака у потомства отобранной части популяции и средним значением того же признака у исходной популяции. Зависимость величины селекционно то сдвига 01 влияющих на нее факторов выражается формулой:
R-royh", (!)
где К - селекционный сдвиг признака; i - селекционный дифференциал, т. е. выраженная в единицах стандартного отклонения разница между средними величинами признака исходной популяции и группы отобранных из нее растений или семей; стр - феиотипическое стандартное отклонение признака; h2- коэффициент наследуемости признака в узком смысле (реализуемый). Из формулы ( Г) следует, что результативность отборов на количественный признак тем выше, чем меньше процент отбираемых лучших растении или семей, чем выше изменчивость признака в исходной популяции и чем точнее определяется по фенотипам селекционная ценность генотипов, Эти требования определяют комплекс мер опт имизации селекционного процесса.
При селекции самоопыляющихся видов растений основным путем повышения вариабельности признаков за счет генотипического полиморфизма является гибридизация. При работе же с перекрестноопыляющимися популяциями особенно важно последовательными циклами отборов повышать концентрацию положительных геном, не допуская при этом близкородственных скрещиваний, и обеспечивать высокую степень те п ет и ч е с к и х рек о м б и н а ци й.
Повышать наследуемость признака, т.е. надежность идентификации желательных генот ипов по их фенотипам особенно трудно при селекции на урожайность. По данным разных исследователей, коэффициент наследуемости этого признака особей популяций подсолнечника не превышает h?—0,î8 (Дьяков, 1991). При такой наследуемости средняя величина признака потомков отобранных особей незначительно отличается от показателей исходной популяции (Рокицкий, 1978, с. 310). Реально наследуемость признака при
o i борах на урожайность eme меньше по той причине, что значительная /юля наследственной изменчивости ясн о признака, обусловленная различиями генотипов по копкурен-юспособпос! и и прололжигельпости вегетации, селекционно бесполезна (Дьяков, !987). О тплко академик B.C. Пусговойт как в процессе селекции, гак и при улучшающем семеноводстве сор та подсолнечника систематически повышал сборы масла за смет у величения урожаев семян (ядер семянок), что свидетельствует о принципиальной возможности эффективной идентификации желательных генотипов по их феночипам (Дьяков, 1987. 2003). Для исключения -эффектов конкуренции, искажающих опенки генотипов, B.C. Пусковой i использовал в качестве фонового признака повышенную масличность семян (ядер семянок), характеризующую способность растений эффективно использовать ресурсы среды и за счет этого формировать высокий урожай семян вследствие увеличения числа запасающих клегок без усиления жиронакопления в каждой клегке (Дьяков, i988, 2003). lío резуаыашм изучения потомств B.C. Пусговойт выбраковывал позднеспелые семьи.
При испытаниях семей потомков можно в 2,7 раза уменьшить искажающие эффекты межлеляночной конкуренции путем замены однорядных делянок квадратными, увеличивая при лом и число учетных растений с 22 до 32 (Дьяков, Хатнянекий, Васильева, !>ойко, 1996). Увеличение числа учтенных растений эффективно повышает наследуемость средней величины признака семей полусибов, что показано в таблице I, данные ко'юрон вычислены по формуле (Falconer, 1960):
i 4X25(N-!)
h>!,sf ГТ ()Т2 5 fr (Ñ: ТУ í2)
1 > ^
где Ь ьн! п !г соответственно коэффициенты наследуемости семей полусибов и отдельных рааений: N - число изученных растений семьи; 0,25 - коэффициент родства для полусибов.
Полученные результаты (табл. 1) свидетельствуют о том, что при низкой наследуемости признака особей особенно важно увеличивать число изучаемых растений в каждой семье потомков-полусибов. Это позволяет в 4-7 раз повышать коэффициенты наследуемое г и средних величин признака семей. Даже если селекционно полезна лишь
половина наследуемой доли дисперсии урожайности и коэффициент наследуемости при-
• *
знака особей реально составляет лишь 1г-"(),1, вполне приемлемым увеличением числа изучаемых растений каждой семьи можно повысить наследуемость средних величин признака ло 1г|1ч! 0,7 и выше. Для этой цели лучше использовать предлагаемые квадратные делянки, испытания на которых позволяют не только резко уменьшать искажения оценок урожайности конкуренцией, но и обеспечивать нужный уровень наследуемости признака при меньшем числе полевых повторностсй.
Повышать вариабельность ар признака в популяциях и коэффициент его наследуемости п сложно, а возможности воздействия па результативность селекции с помощью таких мер сравнительно ограничены. Интенсивность же отборов селекционер планирует сам и их ужесточение не требует осуществления дополнительных мероприятий. При этом повышением интенсивности отборов, т. е. оставлением в качестве родителей следующей о п о код е н и я с ам ы х л у ч ш и х рас г е н и й ил и семей, м ож но в б ол ь ш о й степе н и увеличивай» селекционный дифференциал \ и соответственно повышать величину селекционного сдвига признака Я (Уильяме, 1968, с. 319-321). Повышать селекционный дифференты;! особенно важно при низких коэффициентах наследуемости признака (Дубинин, Глембоцкий, 1967, с. 463).
Типчица /. В лияние числа и ¡ученных особей семьи нолусибов на соотношение
между коэффициентами наследуемости и средней величины при тана семьи (И и отдельных растений (¡г)
Число учетных ¥ растений на делянке Число повтор-постой Всего растений 11аследуемоеп> средних вел наследуемости и ичин признака семей при ризнака особей
1Г"Ч), 1 ИЧ),2 ьЧи Ь2=0,4
22 I 22 0.41 0,61 0,73 0,81
22 2 44 0.57 0,75 0,83 0,80
22 3 66 0,66 0.81 0,88 0.92
32 1 32 0,49 0,69 0,79 0.85
32 2 64 0.65 0.81 0.88 0,92
32 3 96 0,73 0,86 0,91 0.94
Ноли из популяции отбирается большое число растении, семьи потомков отдельных уникальных генотипов не могут существенно повысить среднюю величину признака гютометв всех отобранных особей (Гуляев, Г'ужои, 1972, с. 34!). Эксперименты Г.В. Гуляева, Д.П. Ьерезкина и Л.И. Долгодворовой (1983) показали, что при отборах из перекрестноопыляющейся популяции ржи значимый селекционный сдвиг урожайности в потомстве достигался при отборах с последующим переопылением от 2. до 10 растений, а при отборе 25 или более особей урожайность переопыленных потомков существенно не отличалась от показателей исходной популяции.
В результате свободного комбинирования гамет в каждом поколении перекрестноопыляющейся популяции возникают редкие уникальные генотипы, вобравшие в себя большое количество генов, благоприятно влияющих на селекционные признаки. Сохранить в потомстве высокую концентрацию желательных генов можно только при отборе небольшого числа самых ценных генотипов и использовании близкородственных скрещиваний (Вакет, (нпнпу, 1969). Наиболее эффективно сохраняется в популяции потомков высокая частота ценных генов при принудительном самоопылении уникальных родителей (Спрэг, 1957). Это позволяет закрепить такие аллели, т. е. перевести их в гомозиготное состояние. Однако при малом числе отбираемых особей происходит как дрейф генов со случайной утратой пенных аллелей других локусов, влияющих на селекционные признаки. так и переход в гомозиготное состояние вредных рецессивных аллелей, что приводит к фенотипическому проявлению нежелательных признаков и инбредной депрессии роста и продуктивности растений. Интенсивное снижение гетерозиготноети при самоопылении так быстро ис тощает генетическую изменчивость, что у селекционера не хватает времени для проведения эффективного отбора в пределах линии.
Под инбридингом понимается не только самоопыление, но и любые другие системы родственных скрещиваний, приводящие к повышению уровня гомозиготности (Ьриггс, Ноулз, 1972, с. 200). Ограничивать рассеивание ценных комбинаций генов в популяции и тем самым закреплять достигнутый уровень признаков, на которые ведется отбор, можно и более слабыми формами инбридирования. Издавна широко используется в селекции перекрестноопыляющихся культур такая форма более слабого инбридинга как переопыление в пределах семей полусибов, т . е. потомков одного материнского растения и разных отцов (Масаи!ау, 1928; Пуетовойт, 1940; Эллиот, 1961. с. 313; Гуляев, Гужов,
1972, с. 234). К методам еще более слабою инбридинга относится скрещивание нескольких лучших по комплексу признаков растений со сходным типом роста, отбираемых в каждом из ряда последовательных поколений (Harlan, 19S0).
Чем больше скорость и нор п дарования, тем более эффективна концентрация цеп-пых mum в популяции при отборе, но тем раньше и в большей степени уменьшается генетический полиморфизм и проявляется инбредная депрессия (Гуляев, Гужов. 1 с>72, с 234-2.35; Cornelius, Taylor, 1981; Ьороевич, 1984. с. 116. 120). В связи с этим селекционеру приходится решать проблему, которую хорошо сформулировал Дж. Ф.Спрэг (1957): "Какая часть популяции должна быть сохранена при каждом цикле отбора? Любой ответ па это! вопрос является компромиссным. Чем меньше сохраненный образец, 'тем больший шаг вперед сделан при данном цикле отбора. Но при небольших размерах образца увеличивается степень инбридинга, а поэтому быстро истощается генетическая изменчивость1 \ Увеличенное число отбираемых растений важно и для уменьшения случайной утраты аллелей вследствие дрейфа генов. Л. Меттлер и Т. Грегг (1972. с. 89) показали, что дрейф генов связан с ограничением возможности выбора партнера в малых субпопу-ляцияч. что увеличивает родство особей, вступающих в скрещивания. С учетом этих обстоятельств интенсивность отборов приходится поддерживать на уровне значительно ниже максимального (Уильяме, 1968. с. 33 Г) и важнейшей задачей при планировании программ рекуррентной селекции является определение оптимальной интенсивности oí боров, минимального числа родителей каждого очередного поколения (Ravvliiigs. 1980; 1->ороевич. 1984, с. 120). Такой минимум отбираемых из популяции особей должен быть достаточным для того, чтобы не допустить инбредной депрессии, а также сохранить вну iрипопуляцпопнук) генетическую изменчивость для дальнейших отборов, поскольку более важен общий успех, a ire улучшения, достигнутые за один цикл отбора (Спрэг, IMS7; Vильямс, !968, с. 337, Каминская, 1985. с, 16).
Генетическое обоснование минимально допустимого числа отбираемых из популяций растений в качестве родителей следующего поколения важно не только при селекции, но и при семеноводстве сортов перекрестноопыляющихся культур, особенно если ведется улучшающее семеноводство. H.H. Дубинин и ЯЛ. Глембоцкий (1967, с. 247-250) подчеркивают, что эффективный контроль сложной, динамической генетической структуры сортов-популяций подсолнечника, ржи, кукурузы и других перекрестников часто оказывается делом значительно более трудным, чем создание таких сортов. Однако до спх пор остается актуальным вывод Г.В. Гуляева и В.Г. Шестакоыа (1970, с. 39): ' Многие нормы и правила в семеноводетве не обоснованы теоретически". При таком обосновании, по мнению 1 В. Гуляева и ЮЛ. 1 ужова (1972, с. 342),- "очень важно экспериментально ус танови ть какое число рас тений в отборах воспроизводит сорт у различных перекрест -и оо 11 ы л я ю щи X с я ку i ! »тур4 4.
Представления селекционеров о минимальном числе отбираемых растений., достаточном для воспроизведения признаков сорта-популяции, очень различны Например, С'Лороевич ( 1984. с. 336) считает, что при семеноводстве растений-перекрестпиков идентичность copia можно сохранить только в том случае, если для производства элитных семян отбирать такое количество растений, которое позволит охватить почти все имеющиеся к популяции генотипы. Абсолютная нереальность такой задачи следует из важнейшею вывода поиулиционной генетики: "... какой бы большой ни была панмиктическая популяция, в ней не существует двух особей (за исключением идентичных близнецов), все гены которых были бы одинаковыми" (Ли, 1978, с. 360). Хотя разнообразие генотипов в свободнооныляюшихся популяциях так велико, G.F. Sprague (1939) установил, что средние показатели десяти растений сорта кукурузы адекватно отражают его наел едет-
венные особенности. Опыты Г.В. Гуляева и Л.И. Долгодворовой (1976) с сортами-популяциями озимой и яровой ржи показали, что потомство переопыленных между собой 25-ти растений copia полностью воспроизводит все его признаки. Также чисто эмпирическим путем в Швеции разработана методика первичного семеноводства сортов озимой ржи, при которой отбирается 40-50 элитных рас гений, и по результатам испытаний, выбираются лучшие из их потомсгв па основе использования метода резервов (Гуляев. Гу-жов, 1972, с. 343-344). Обобщая экспериментальные данные, Г.В. Гуляев (1988) пришел к выводу, что не только у самоопыляющихся, но и у перекрестноопыляющихся культур сорт может воспроизводиться небольшим числом растений.
Принято считать, что при сборе коллекций генетических ресурсов дикорастущих и культивируемых видов растений генофонд популяций почти полностью представляют семена, собранные с 50-100 растений (Hawkes, 1974). Такой размер выборки считается достаточным потому, что 50-100 особей с вероятностью 95 % сохраняют все аллели, встречающиеся в популяции с частотой не менее 0,05 (Cristea, Gaspar, 1979), а прирост гомозиготности при эффективной численности популяции 50 особей составляет 1 % на поколение (Франклин, 1983). Однако К. Yonezawa (1985) считает более эффективной стратегию поддержания и использования коллекций генетических ресурсов при отборах по 10 растений па популяцию. При таких выборках не гарантируется с вероятностью 95 % сохранение аллелей, встречающихся в популяции с частотой 0,30 и меньше (Яблоков, 1987, с. 182).
В программах рекуррентной селекции перекрестноопыляющихся растений, осуществляемых с целями как повышения урожайности селектируемых популяций, так и увеличения вероятности выделения из них особо ценных инородных линий, обычно рекомендуется в каждом цикле отбирать для формирования новой популяции по 10 генотипов (Sprague, Miller, BrimhalL 1952; Спрэг, 1957; Югепхеймер. 1979, с. 88; Каминская, 1985, с. 54). В качестве исходного материала для селекции родительских линий гибридов создаются также синтетические популяции из 6-8 инбредных линий (Хаджинов, Гусев. 1979; Югепхеймер, 1979, с. 315).
При таких числах основателей популяций не гарантируется с вероятностью 95 % сохранение в каждом цикле отбора аллелей, содержащихся в исходной популяции с частотой меньше 0,3-0,5, поэтому неизбежна эрозия генофонда. А поскольку основным преимуществом рекуррентной селекции является сохранение изменчивости популяций в каждом цикле отборов для обеспечения дальнейшего прогресса (Бриггс, Ноулз, 1972, с. 235), возникает вопрос, в какой мере при интенсивных отборах достигается эта цель и предотвращается инбредиая депрессия.
При обсуждении проблемы сохранения наследственной изменчивости в популяциях и их реакции на отбор после ряда циклов рекуррентной селекции разные авторы анализируют итоги многолетних опытов с популяциями кукурузы, дрозофилы и других объектов. Например, î-.R. Reeder, A.R. Hallauer, K.R. Lamkey (1987) не обнаружили существенных изменений генотипической дисперсии и соотношения ее компонент после 6-ти циклов успешной рекуррентной селекции двух популяций кукурузы на урожайность. G.F. Sprague, P.A. Miller, В. Brimhall (1952) установили, что при отборах на масличность зерна с самоопылением без скрещивания лучших линий к пятому поколению в линиях почти не осталось генетической изменчивости, а при чередовании отборов и скрещиваний изменчивость признака существенно увеличилась по сравнению с исходной популяцией. Особенно информативны результаты проведенного в штате Иллинойс длительного опыта, в котором изучалась реакция кукурузы на отборы по процентному содержанию масла и белка в зерне. Отборы были начаты в 1896 г., до 25-го поколения в каждом вари-
атп с в каждом цикле отбирали по 24, а затем - по 12 растений при сохранении интенсивности отборов во все годы 20% от числа оцененных особей каждой популяции, чему соответствует шачение i~l,4apil. За 50 поколений отборов было достигнуто повышение масличное!и в 3,3 раза и ее снижение в 4,7 раза, повышение содержания белка в 1,8 раза и его снижение в 2/2 раза (Woodworth, Leng, Jugenheimer, 1952). Анализ экспериментальных популяций в 1966 г. показал, что 65 поколений отборов на повышение содержания как масла, гак и белка не только не привели к истощению наследственной изменчивости, но даже оказалось, что у высокомасличной популяции генотипическая дисперсия процента масла на 65 % больше, чем у высокобелковой, а генотипическая дисперсия процента белка у высокобелковой популяции на 60 % больше, чем у высокомасличной (Dudley, Lamben, 1969). За 76 поколений реакция на отбор достигла 20 генетических (аддитивных) стандартных отклонений в сторону увеличения как маеличности, так и содержания белка, причем регрессия процента масла на число поколений оказалась практически прямолинейной, без признаков выхода ее на плато (Dudley, 1977).
Анализируя результаты этого опыта, У. Уильяме (1968, с. 324) обращает внимание не только на непредсказуемо большие реакции на отбор в этих экспериментальных популяциях. Глце более важным он считает го, что при изменении в обратную сторону направлений отборов в субпопуляциях всех четырех популяций происходит сдвиг признаков в сторону исходных популяций. Он подчеркивает, что это противоречит представлениям классической генечики о том. что переход в результате длительных отборов в гомозиготное состояние все большего числа желательных генов не только должно довозить до пуля генетическую вариансу, но и отбор в обратном направлении не должен доспи ai ь пределов показателей исходной популяции. Поэтому результаты описанного долгосрочного опыта с кукурузой и аналогичные опыты с популяциями других аутбред-пых видов заставляют признать существование иных источников значительной наследственной изменчивости (Уильяме, 1968, с. 324-325). На основе математического моделирования Ю.М. Свирежев и В.П. Пасеков (1982, с. 247) также заключили, что ■только признав существование более сложных механизмов наследственной изменчивости, можно объяснить способность популяции эффективно реагировать на изменения направлений отбора. Анализируя результаты опытов по отбору, Я.Р. Франклин (1983) пришел к выводу: "Наше понимание сил, лежащих в основе поддержания генетической дисперсии количественных признаков крайне поверхностно. Однако мы знаем, что разнообразие повсеместно и что большинство признаков с готовностью откликается на от-бор".
И результате изучения закономерностей искусственного отбора в восьмидеся тые годы XX столетия были выявлены новые источники генетической изменчивости, в том числе выбывающий взрывную спонтанную мутабильность механизм транспозиций, г. е. перемещения в пределах генома мобильных диспергированных генетических элементов (¡ edoroíí, !984; Кайданов, 1988). Объектом, у которого впервые были открыты мобильные тлемешы, была кукуруза; на этом же объекте была разработана система выявления эффектов транспозиции ядерного и цитоплазматического геномов (Smith, 1985). Кроме подавления действия гена, в иуклеотидную последовательность которого встроился мобильный элемент, такие транспозиции усиливают кроссинговер. повышают частоту рекомбинаций (Greenblatt, 1981; Friedemann, Peterson, 1982).. Установлено, что транспозиционная память обусловливает направленность внедрения мобильных элементов в определенные сайты генома, что придает спонтанному мутагенезу специфический характер, сопряженный с направлением отбора (Кайданов, 1996, с. 206, 212). По-видимому, генетическая изменчивость в течение 76 поколений отборов в популяциях
кукурузы в значительной мере возобновлялась за счет транспозиций. Об этом свидетельствуют факты повышения реакции на отбор после 25 поколений отборов на низкобелко-воеть, отсутствие реакции между 50-м и 65-м поколением отборов на высокую масличное м> и возобновление т акой реакции в период о г 65-го до 76-го поколения, а также еще более чс .кие смены периодов отсутствия и проявления реакций при и вменении в обратную сторону направлений отборов (Woodworth, Leng, Jugenheimcr, 1952, Dudley, , Lambert, i969, Dudley. 1977). При сравнении одних и тех же глубокоинцухтированных родительских линий гибридов кукурузы, размножаемых селекционерами разных штатов США, было установлено, что спонтанные мутации усиливают' варьирование признаков продуктивности в еще большей степени, чем изменчивость качества зерна (Fleming, 1971).
Медленное истощение генетической дисперсии при отборах на такие контролируемые большим числом генов признаки, как масличность, белковость, урожайность обусловлено не только мутационным процессом, но и постепенным высвобождением изменчивости при рекомбинациях сцепленных генов (Купцов, 1971, с. 235, Франклин, 1983). J.W Dudley (1977) показал, что при частоте генов 0,25 и 0,5 только для 50-200 ло-кусов можно получить за счет рекомбинаций селекционный сдвиг в 20 стандартных отклонений.
Приведенные выше данные подтверждают мнение авторов, считающих преувеличенной опасность случайной утрат ы ценных аллелей, обеднения наследственной основы популяций, снижения реакций на отбор вследствие высокой интенсивности отборов, малого числа отбираемых особей как при селекции, так и при семеноводстве (Гуляев, Шеетаков, i970, с. 37-38; Уильямсон, 1975, с. 115; Dudley, 1977; Франклин. 1983; Гуляев, Í988). В процессе отбора утрачиваются в основном нежелательные аллели и сохраняются лучшие тепы в генном фонде, поскольку перевод в гомозиготное состояние желательных генов являеiся целью селекции. Поэтому А.И. Купцов (1971. с. 208-209) заключает, что снижение до определенного уровня гетерозиготное) и сортов перекрестноопыляющихся культур оправдано, причем оно не опасно и с точки зрения избежания инбредной депрессии. поскольку 1етерозие обеспечивается гетерозиготностью не всех генов, а лишь некоторых из них. Па примере ржи показано, что для закрепления ценных признаков можно в отдельных поколениях отбирать 2-5 растений (Гуляев, Долгодворова, 1976), а инбредиая депрессия снимается при переопылении 10 растений (Гуляев, 1988). Для выращивания в производстве можно использовать как первое, так и последующие поколения синтетических сортов кукурузы, создаваемых из 4-8 инбредных линий (Sprague, Jenkins, 1943). Для создания таких стабильно урожайных, скрещивающихся внутри себя синтетических сортов-популяций оптимально использовать 5-6 инбредных линий (Уильяме, 1968, с. 339). j Следует учитывать, что хотя отбор малого числа особей не ограничивает селекционные сдвиги в следующих поколениях, это приводит к большим изменениям генофонда, что оказывает влияние на характер изменения комплекса признаков селектируемой понуля-) ции (Франклин, 1983).
1 Таким образом, результаты многолетних опытов по отбору, а также практика
рекуррентной селекции и семеноводства сортов перекрестноопыляющихся культур свидетельствует о том, что при определенных условиях отборы малого числа особей не обедняют наследственную изменчивость популяций, не вызывают инбредную депрессию, по обеспечивают высокую результативность селекции за счет интенсификации отборов. Хотя многолетние эксперименты по отбору из популяций подсолнечника не проводились, нет оснований сомневаться в том, что выводы, полученные в опытах с кукурузой, рожыо и другими перекрестнооплодотворяющимися видами, справедливы и для подсолнечника.
lia основе таких данных и собственной практики селекции подсолнечника A.V. Vränceanu (1983) пришел к выводу: наиболее грудной и сложной проблемой является не увеличение генетической изменчивости, а разработка методов концентрации аллелей, контролирующих количественные признаки, для чего необходимо использовать широкий арсенал современных методов.
Однако в публикациях но подсолнечнику многими авторами высказаны мнения, что индивидуальный отбор при селекции сортов приводит к снижению урожайности из-за ипбредной депрессии (Жданов, 1946; Морозов, 1946, 1947, с. 246-247; Миикевич, Борковский, 1955, с. 310; Попова, Абрамова, 1968, с. 48; Анащенко, 1978а, 19786) и к полному исчерпанию наследственной изменчивости (Морозов, 1946; Анащенко, 1977, с. 7, 45; 1978а, 19786; Рябота, 1985; Skoric, 1989). Полому для восстановления изменчивости рекомендуется использование межсортовых скрещиваний в качестве основного мезода селекции (Вецдавович, 1952; Жданов, 1952, 1957; Морозов, 1952; Прохоров, 1952). Некоторые авторы даже считают, что из-за близкородсгвенноети всех высокомасличных сортов работа с ними бесперспективна, что необходимо привлекать другой селекционный материал, использовать иные методы селекции (Бурлов, 1972, Анащенко, 1973, 1977, 1978а, 1980; Рябота, 1985; Таволжанский, 2000, с. 276-277). При семеноводстве сортов подсолнечника для сохранения их наследственной основы и гетерозиготноети рекомендуют испытывать не менее 300 иотомств элитных растений и объединять для высева в семенном питомнике резервы семян не менее 100-150 семей (Минкевич, Борковский, 1955, с. 343: Хатнянский, Обыдало, 1991), что значительно превышает минимально допустимые объемы семеноводства, установленные экспериментально для других перекрестноопыляющихся культур. K.M. Прохоров (1955) для размножения в семенном питомнике объединял семена около 50 лучших растений, но в процессе семеноводства сорта подсолнечника он обогащал его наследственную основу путем свободного межсортового переопыления (Прохоров, 1952). В.К. Морозов (1952) также закладывал питомники отбора семеноводческой элиты без пространственной изоляции от других сортов и селекционного материала подсолнечника и высевал в этих питомниках на отдельных делянках не менее 150 номеров, лучшие из которых использовал для семенного питомника.
Обсуждая проблемы сохранения наследственной основы популяций подсолнечника и их гепотипического разнообразия, избежания инбредной депрессии при близкородственном разведении, ни один из цитированных авторов не обосновывает свои выводы и рекомендации вычислениями коэффициентов инбридинга и оценками вероятностей утратзн аллелей при отборах малого числа элитных растений. Отсу тствуют такие данные даже в обзорах по селекции и семеноводству подсолнечника (Морозов, 1977; Гумилев, 1972; Анащенко, 1977; Skoric, 1988, 1989; Skoric, Jancic, 1989). Подчеркивая важность нот вопроса, A.A. Созипов и SO.П. Лаптев (1986, с 90-91) утверждают, что улучшение сортов подсолнечника по урожайности и масличности в процессе селекции и семеноводства было успешным только до тех пор, пока сам академик B.C. Пустовойт отбирал и интуитивно оценивал оптимальные с точки зрения популяционной генетики количества элитных растений. Они пишут: "Ученый все время шел на грани нежелательных отклонений. Если в популяцию включить очень мало исходных форм, она будет терят ь жизнеспособность из-за близкородственного размножения, ... если исходных генотипов будет мною -- трудно удержать селектируемый признак на нужном уровне". При пом A.A. Созипов и Ю.Г1. Лаптев также ограничились общими рассуждениями и не использовали обсуждаемые ими законы популяционной генетики для конкретной оценки коэффициентов инбридинга и вероятностей утраты аллелей при селекции и улучшающем семеноводстве сортов подсолнечника по методикам B.C. Пустовойта.
В то же время анализ методик и результатов работы академика B.C. Пус-товойта с позиций иопуляционной генетики важен не только для освоения наследия ученого, fio и для обоснования перспектив и путей оптимизации селекции подсолнечника на современном этапе. Значимость такою анализа особенно возросла после появления в литературе высказываний о j ом. чти ш-ia высокой степени близкородственное i и селекционных сор-urn подсолнечника они являются тупиками эволюции и работа с ними бесперспективна пе только в направлении продолжения рекуррент ной селекции, но и при использовании их в качестве исходною материала для родительских линий гибридов (Аиащенко, 1977, 1978а, 19786; Рябота, 1984).
При описании методик селекции и улучшающего семеноводства сортов подсол-печника B.C. Пустовойт (1940, 1967) приводил подробные данные о количестве отбираемых родоначальных растений и семей их потомств. По этим данным можно вычислять коэффициенты инбридинга и оценивать вероятности утраты аллелей при отборах. Однако при таких вычислениях должны учитываться следующие обстоятельства. Важно иметь в виду, что выражение "оценка элитных растений по потомству", используемое даже в серьезных публикациях (например, Гундаев, 1971; Гуляев, Гужов, 1972, с, 343) не соответствует действительности. Буквальное понимание этого определения приводит к ошибочному представлению о сути индивидуального отбора в селекции растений, примером которого является описание его известными генетиками: "... сорта подсолнечника с высоким содержанием масла в семенах были получены путем индивидуального анализа отдельных растений, отбора лучших растений и скрещивания их между собой v (Иикоро и др., i968. с 69). На самом же деле для использования в качестве родителей следующего поколения отбираются по результатам деляночных испытаний не сами родоначальные растения, а семьи полусибов, т. е. потомков одной матери и многих отцов (Купцов, 1971, с. 208). Поэтому оценка наследственных особенностей одной части семьи потомков по данным испытания другой ее части является оценкой по полусибам. При этом па изменения параметров популяций влияет не только количество отбираемых семей, но и число отцовских растений каждой семьи полусибов, которое при панмикеии может превышать 1000 особей, поскольку отбираются корзинки, содержащие 1500-2000 семян (Пустовойт. 1967). Следовательно, при вычислениях коэффициентов инбридинга, оценках вероятностей утраты аллелей при отборах необходимо определить количество растений в полевом посеве подсолнечника, пыльца которых опыляет цветки в корзинке одного материнского растения.
Гели бы i} популяциях подсолнечника наблюдалась панмиксия, т. е. совершенно случайные скрещивания, при которых на рыльце любого цветка в корзинке с равной вероятностью попадала бы пыльца растений, растущих как рядом, так и на противоположном конце поля, то семьи полусибов получали бы с отцовскими гаметами представительную выборку генофонда всей популяции. В этом случае генофонд семьи потомков родо начально го растения с большой вероятностью сохранял бы в основном все аллели популяции, хотя частота некоторых из них была бы уменьшена вдвое. Однако в реальных популяциях панмиксия встречается очень редко, г. к. обычно скрещиваются особи, находящиеся поблизости друг от друга (Меттлср, Греп, 1972, с. 89; Ли. 1978, с. 465).
S. Wright (1946) показал, что в случаях, когда дистанции рассеивания пыльцы и переноса семян меньше ареала популяции, скрещивания происходят случайно лишь в пределах папмикт ических единиц, занимаемых группами растений (называемых соседствами) в непрерывной популяции, Вследствие ограниченных эффективных численностей Nc таких соседств в них наблюдается инбридинг в тем большей степени, чем меньше Nc,
■по экспериментально установлено для разных видов растений (Gregorios, 1974, 1975; Cotes, bovver, 1976), в том числе для дикорастущего ilcHanthus annum (Rllstrand, Torres, Levin, 1978V Поэтому представление о том, что "... природные популяции в высокой степени гетерозиготны . . (Анащенко, 19786) не соответствует действительности. Прямыми определениями установлено, что средняя гетерозиготиость по 17-ти локусам у ряда перекрестноопыляющихся видов растений равна лишь 7,8 %(Айала, 1984, с. 54).
Подразделепность популяций па панмиктические единицы приводит к тем большим генетическим последствиям, чем меньше численности панмиктических соседств (Ли, 1978, с. 478). Поэтому очень важно определить реальные дистанции потока генов в популяциях, их ограничения расстояниями разноса семян и пыльцы. Вследствие неспособности растений мигрировать, численность панмиктических соседств в их популяциях намного меньше, чем у животных. Так оценки эффективных числениостей соседств у дрозофилы в разных местностях США варьировали от Ne~:3229 до Nc" 145780, а в популяциях разных видов растений - от Nc =4 до Ne =282 (Грант, 1984, с. 32-33). Взаимное опыление у древесных пород охватывает особи в радиусе около 40 м, а у травянистых видов скрещиваются между собой растения, удаленные друг от друга не более чем на 2-4 м (Члобин, 1989, с. 6), до 99 % пыльцевых зерен рассеивается на расстоянии в 1-2 м от материнского цвет ка (Малецкий, 1995, с. 131). У вида Liatris aspara (Cornpositae) численность панмиктических соседств уменьшалась от Nc:: 191 до Nc :30 по мере увеличения густоты стояния растений па территории (Levin, Kerster, 1969).
S. Wright (1946) разработал теорию изоляции субпопуляций расстоянием для условии стабильного в течение ряда поколений формирования панмиктических соседств. При этом вследствие ограниченного рассеивания пыльцы в популяциях перекрестников скрещиваются родственные особи, в том числе выросшие из семян одного материнского растения (Lllsírand, Torres, Levin, 1978; Малецкий, 1995, с. 131). Такие близкородственные скрещивания маловероятны в семеноводческих посевах сортов, т. к. при севе семена разных генотипов случайным образом распределяются по полю (Френкель, Галун, 1982, с. 75). Однако результаты определений дистанций рассеивания пыльцы в посевах перекрестноопыляющихся культур необходимо учитывать при популяционио-генетическом анализе и оптимизации методик селекции и семеноводства популяций для оценки числа отцовских растений семей полусибов.
Рассеивание пыльцы в посевах перекрестноопыляющихся популяций культурных растений подчиняется тому же закону, который действует в естественных популяциях. Например, в посеве сафлора маркерный доминантный ген получали 1,2 % семян растений, растущих на расстоянии 0,6 м от донора пыльцы с этим маркером, и лишь единичные семена более удаленных растений вплоть до 34,6 м обладали маркерным геном (í)eoear. Palil. 1976). В посевах рапса около 75 % всей пыльцы оседает в радиусе 6 м от растения-донора этой пыльны (Mesquída, Renard, 1982). На растениях, растущих от доноров пыльцы с генетическим маркером не далее 1,8 м в посевах лука репчатого и 40 м флокса, оказалось соответственно 99 и 97 % семян с маркерным геном от всего числа таких семян (Levin, Kerster, 1974). Оплодотворение семяпочек пыльцой с маркерным геном уменьшалось в 100 раз при расстоянии материнских растений от донора меченой пыльцы в посевах свеклы 6 м, кукурузы - 15 м5 редиса- 48 м (Уильяме, 1968, с. 267).
Мы не нашли публикаций с данными о влиянии расстояния между донором и акцептором пыльцы в сплошном посеве подсолнечника на вероятность оплодотворения семяпочек этой пыльцой в условиях конкуренции с пыльной других растений. Много исследований было проведено лишь с целью обоснования максимального числа рядов материнской линии на участках гибридизации и требований к пространственной изоля-
ции семеноводческих посевов подсолнечника. В частности, R.G. Robinson (1984) установил, что с увеличением расстояния до ряда опылителя от 0,76 м до 30 м пропорционально снижалась завязываемость семян мужскоегерильных растений. B.N. Patil с соавторами (1979) с помощью гена антопиановой окраски установили, что пыльцой с таким геном оплодшворя. юсь 74 и 72 % семяпочек растении, растущих на делянках iOxiO м на расстоянии 400 и 500 м от делянки донора маркерного гена. В опыте Д.И. Плотникова (1940) акцепторами пыльцы служили группы по 30-40 растений, в корзинках которых оставлялось по 150-200 кастрированных цветков; завязываемоеть семян при этом составили 35,6 и 35,7 % при расстояниях от источника пыльцы 400 и 500 м. По наблюдениям же B.C. Пуетовойта (1940), при расстояниях между питомниками 400-500 м за 25 лет было лишь три случая выщепления фуксиночных форм в посевах сероеемянного подсолнечника. По данным Н.Д.Либеико (1982), чужеродное перекрестное опыление материнских форм гибридов подсолнечника при изоляции от других посевов 1, 2 и 2,5 км составило 18, 11 и 4 % соответственно.
На основе изложенных и подобных им данных нельзя определить число отцовских растений семьи полусибов-потомков элитного растения. В сплошном густом посеве подсолнечника, особенно если в корзинках много цветков, пчела перемещается на малые расстояния и переопыляет меньшее число растений, чем при расположении групп растений па больших расстояниях друг от друга (Ellslrand, Torres, Levin, 1978). В сплошном посеве конкуренция между пыльцой разных особей также ограничивает возможности равновероятного переопыления всех растений одного поля, что используется в практике создания "пыльцевых барьеров'1 при работе с разными объектами (Югенхеймер, 1979, с. 408; Френкель, Галун, 1982. с. 81-82), в том числе и с подсолнечником (Работа и др., 1997). Рыльца мужскостерильных растений или кастрированных цветков подсолнечника с большей верояпюстыо воспринимают' пыльцу дальних растений вследствие меньшей пыльцевой конкуренции и способности рыльца ожидать пыльцу 4-5 дней, хотя в норме оно завядает1 через 1 -2 дня (Плот пиков, 1940; Воскобойник, Бочкарев, Савченко. 1984).
С учетом вышеизложенною мы провели в 1997-1998 гг. опыты с целью оценки возможного числа отцовских растений каждой семьи полусибов при выращивании материнских растений в сплошном посеве подсолнечника на фонах обычной и ослабленной пыльцевой конкуренции. Опытные делянки располагались в пределах поля, засеянного различными сортами и гибридами подсолнечника, что создавало общий фон конкуренции между пыльцой разных генотипов. На делянках с растениями мужскостерилыюго простого гибрида Кубанский 48 этот фон был ослабленным, хотя и достаточным для обычной тавязываемоети семян в корзинках особей, в разной степени удаленных отряда растений линии ВК 571, используемых в качестве опылителей для растений гибрида, своя пыльца которого стерильна. Имеющийся у линии ВК 571 ген Rf восстановления фертильности служил маркером для оценки вероятности оплодотворения семяпочек пыльцой этой линии в зависимости от расстояния между отцовскими и материнскими растениями. С этой целью учитывали процент особей с восстановленной фертильностью пыльцы среди потомков этих матерей. Результат ы представлены на графике (рис. )).
Полученные результаты свидетельствуют о том, что наиболее велика вероят ност ь оплодотворения меченой пыльцой семяпочек растений, растущих рядом с донором гена Rf. По мере увеличения расстояния от этих доноров до материнских растений в диапазоне от 0,7 до 4,2 м круто снижается доля их потомков, отцами которых оказались растения-доноры генетически маркированной пыльцы. Начиная с 7-го ряда материнских растений, т. е. с 4,9 м от ряда отцовских, доля потомков с восстановленной фертильностью пыльцы мало меняется по мере удаления от опылителя, оставаясь на уровне 10 %.
Этот уровень обусловлен в основном наличием гена КГ в общем фоне пыльцы на иоле, засеянном сортами и гибридами подсолнечника, а частично тем, что с увеличением расстояния вероятность скрещивания резко снижается, но не достигает нуля: всег да остается малая вероятность скрещивания м еж .ту особями, удаленными друг от друга (Солбриг, Со лор иг. Ю82. с. 169). В данном опыте (рис. I) около половины семян в корзинках муж-екофертильпой матери, выросших на расстоянии 0,7 м от ряда особей донора гена завязались вследствие оплодотворения не имеющей этого гена фоновой пыльцой, т. к. только у 52,2 % потомков оказалась восстановленной фертильность пыльцы. Обусловлено это конкуренцией с фоновой пыльцой, поскольку в этих же условиях при выращивании между двумя рядами донора гена ЯГ ВК 57! одного ряда мужскостерильных растений гибрида Кубанский 48 среди его потомков оказалось 85,9 % особей с восстановленной фертильностыо пыльцы.
""ч
гг
л
60
г: •
40 #
сз •
х
•
с;
I—
о. ■1)
-& 20
е.;
со
О
• • •
О
ь-о
С
0
0 4 8 12
Расстояние от доноров гена м
Рисунок /. Процент растений подсолнечника с фертильной пыльцой в зависимости от расстояния их мужскостерильных матерей (гибрид Кубанский 48) от донора гена К!"восстановления фертильности пыльцы (линия ВК 571).
Конкуренция собственной пыльцы снижает степень перекрестного оплодотворения в посевах разных видов культурных растений, в том числе масличных: у сафлора оно варьирует в таких условиях от 5 до 90 %, у подсолнечника - от 20 до 75 (Френкель, Га-луп, 1982, с. 40). Поэтому надо было оценить возможное число отцовских растений одной семьи полусибов в описанных выше условиях при обычной конкуренции собственной пыльцы в посеве сорта-популяции подсолнечника. Для этого использовали в качестве опылителя донор доминантного гена Т антоциановой окраски линию Сл 2349 из генетической коллекции ВПИИМК, а в качестве акцепторов генетически маркированной пыль-
цы растений сорта подсолнечника Лидер. Результаты учета процента сеянцев с антоциановой окраской среди потомков растений сорта Лидер, росших па разных расстояниях от растений линии Сл 234е), представлены на графике (рис. 2).
40
О
о
20
о 30
X
ю s
и о н
X
го
о
со о
£ о
МИД—
о
10
о
0 2 4 6 8
Расстояние от доноров гена Т, м
Рисунок 2. Процент растений подсолнечника с антоциановой окраской в зависимости от расстояния их неокрашенных матерей (сорт Лидер) от донора антоциановой окраски (линия Сл 2349).
Вероятность оплодотворения меченой геном Т пыльцой семяпочек растений, имеющих собственную пыльцу, оказалась в среднем на 38 % ниже, чем вероятност ь оплодотворения семяпочек мужскостсрильных растений пыльцой с геном RГ. !хли же ряд растений сорта Лидер располагался между рядами линии Сл 2349, то доля потомков, генетически меченых аптоциапом, возросла только до 43,3 %, т. е. оказалась вдвое меньше процента мужскофертилытых растений среди потомков растений гибрида Кубанский 48, растущих между рядами линии ВК 571. Эти факты свидетельствуют о том, что конкуренция собственной пыльцы в значительной мере ограничивает степень перекрестного оплодотворения в посевах подсолнечника. Однако как при обычной (рис. 2), так и при ослабленной (см. рис. 1) конкуренции пыльцы обнаружено, что в корзинках подсолнечника основная часть семян завязывается в результате оплодотворения пыльцой соседних отцовских растений, растущих не далее 4,2 м от материнского растения.
Исследованиями с различными энтомофильными и анемофильными видами растений в США и других странах установлен одинаковый характер рассеяния пыльцы и вероятности оплодотворения ею но мере удаления от донора этой пыльцы. Эта зависимость описывается лептокуртической функцией распределения, которая отличается от нормального распределения положительным эксцессом, т. е. вокруг источника пыльцы наблюдается более высокая ее концентрация, чем можно ожидать в соответствии нор-
мальньш распределением (Уильяме, 1968, с. 268; Солбриг, Солбриг, 1982, с. 169-170; Френкель, Галун. 1982, с. 72; Грант, 1984, с. 30-32; Малецкий, 1995, с. 131). На этом основании S. Wright (1946) ввел понятие панмиктической единицы, г. е. части непрерывной популяции, в пределах которой происходят случайные скрещивания. Панмиктической единицей считается окружность с радиусом репродуктивной активности 2ст, где а - среднее квадратическое отклонение расстояний, на которые переносится пыльца. S. Wright (1946) предложил также понятие "соседство". В данном случае это совокупность отцов семьи потомков материнского растения, находящегося в центре окружности с радиусом 2а. Поскольку с меньшей вероятностью пыльца переносится и с цветков растений, растущих вне этой окружности, в число особей соседства входят не 100, а 86,5 % всех отцов семьи полусибов. С учетом этого, по данным наших опытов (см. рис. 1, рис. 2), можно ориентировочно принять 4,2 м величиной радиуса репродуктивной активности в посеве подсолнечника. В этом случае площадь панмиктической единицы S= 7tr2s55M2. Поскольку в питомниках отбора обычно выращивают подсолнечник при густоте 2 раст./м2, величина соседства равна 110 растениям, поэтому количество отцов семьи потомков одного материнского растения не меньше этого числа. Часть семян элитной корзинки используется для анализов и высевается в питомниках испытания потомств. Поэтому можно принять, что у тех растений семьи полусибов, которые становятся родителями следующего поколения, число отцов не менее 60 особей той популяции, в которой было выращено материнское растение. В качестве минимального числа отцов семьи полусибов можно считать 4 растения, которые росли в посеве рядом с материнским растением.
Используя эти оценки числа отцов семьи полусибов подсолнечника, можно вычислять эффективные численности популяций, коэффициенты инбридинга, вероятности утраты редких аллелей при разных интенсивностях отбора, используя для этого общепринятые формулы (Никоро и др., 1968, с. 115; Ли, 1978, с. 498, 500; Рокицкий, 1978. с. 324; Солбриг, Солбриг, 1982, с. 181) и таблицу Л.А. Животовского ГЯблоков, 1987, с. 182). Такие вычисления нами произведены применительно к интенсивностям отборов при обычных методах селекции и семеноводства сортов подсолнечника: использования одной семьи полусибов в качестве родоначальника сорта (Пустовойт, 1940; Жданов. 1964), объединения семян не менее 100 семей потомков элитных растений для высева в семенном питомнике при семеноводстве сорта (Хатнянский, Обыдало, 1991). Кроме этого оценены сдвиги параметров популяций для тех случаев, когда в каждом цикле рекуррентной селекции рекомендуется создавать популяции из 10 номеров, и когда для закрепления признака при отборах используются парные скрещивания под изоляторами (Пустовойт Г'.В., Хатнянский, 1980). Результаты вычислений представлены в таблице 2.
Вычисления показали, что при увеличении в 15 раз с 4 до 60-ти числа отцовских растений Nm одной семьи полусибов увеличивает эффективную численность популяции Nc только на 22,8 %. При этом на 18,6 % уменьшается коэффициент инбридинга, но остается очень низкой вероятность утраты редких аллелей. Даже при 60-ти отцах отобранной одной семьи полусибов прирост коэффициента инбридинга составил ДР^12,7 %, тогда как при идеальной панмиксии его величина была бы еще меньше AF^12,5 % (Дубинин Глембоцкий, 1967, с. 390; Ли, 1978, с. 318).
Полученные результаты (табл. 2) свидетельствуют также о том, что опасность обеднения наследственной основы и снижения гетерозиготности сорта подсолнечника в процессе его семеноводства (Хатнянский, Обыдало, 1991) сильно преувеличена. При объединении 100 семей потомков элитных растений сохраняются с 95 %-ной вероятностью даже редкие аллели с частотой 1,5-2,2 %, а коэффициент инбридинга возрастает не более чем на ДР-0,16 %, что намного меньше повышения гетерозиготности популяции в
каждом поколении за счет спонтанных мутаций (Гершензон, 1979, с. 215; Богоявленский и др., 1984, с. 256; Яблоков, 1987, с. 160; Глотов, 1988). В еще большей степени повышает уровень гетерозиготности сорта-популяции и восстанавливает в нем частоты редких аллелей так называемая миграция; в данном случае это случайные переопыления с растениями других сортов и падалицы подсолнечника. Насколько большим может быть влияние этого процесса можно судить по такому факту: в результате случайного опыления растений сорта Первенец пыльцой низкоолеиновых генотипов содержание олеиновой кислоты в его масле снижалось с 75-78 до 48-55% (Харченко, 1984). Даже при низких скоростях миграции до одного иммигранта на популяцию за 1-4 поколения предотвращается снижение генетической изменчивости и гетерозиготности (Меттлер, Грегг, 1972, с. 192; Франклин, 1983).
Таблица 2. Эффективные численности популяций (¡4^, увеличение ипбредности (АУ,п/о) и минимальные частоты аллелей (Рт1П), сохраняющиеся в популяциях с вероятностью 0,95 и 0,99 при отборах разного числа родоначальныхрастений и числа отцов (№„) семей полусибов
Число Эффективная Увеличение Частоты аллелей РтрГ),
отби- Число доноров численность инбред- сохраняющиеся при данных
рае- пыльцы популяции, ности. Мс с вероятностями
мых на Всего А1\ %
расте ПИЙ, одну мать 0.95 0.99
N 'МП
100 4 400 320 0,156 0,022 0.028
100 60 6000 393 0,127 0,015 0,022
1 4 4 3,2 15.6 >0,50 >0.50
1 60 60 3,93 12,7 >0,50 >0,50
10 4 40 32 1.56 0,148 0.185
10 60 600 39,3 1,27 0,125 0,155
6 4 24 19 2,6 0,205 0,26
5 60 300 20 2,5 0,20 0,25
1 1 1 2 25 >0,50 >0,50
Даже при значительно более высокой интенсивности отборов, когда в качестве родителей следующего поколения используется 10 семей полусибов, а эффективная численность создаваемой при этом популяции достигает Мс=39 (табл. 2), величины приростов инбридинга оказываются близкими к уровню спонтанного мутационного процесса. При этом не гарантируется с вероятностью 95 % сохранение аллелей, присутствующих в популяции с частотой менее 12,5 %. Однако если при утрате таких аллелей ухудшаются хозяйственные признаки популяции, выбраковки при отборах 1 % нежелательных биотипов достаточно, чтобы избежать таких потерь (Меттлер, Грегг, 1972, с. 192).
Учитывая сложность генетической структуры сортов-популяций перскрестников, С. Бороевич (1984, с. 336) считает, что идентичность таких сортов при семеноводстве "... можно сохранить только в том случае, если для производства элитных семян будут отбирать такое количество растений, которое позволит охватить почти все имеющиеся генотипы". Решить эту задачу невозможно, отбирая не только 10, но и 100 семей полусибов, поскольку "в процессе существования сорта-перекрестноопылителя в нем возникает бесчисленное количество гибридных комбинаций..." (Пустовойт, 1940). В таких иопуля-
циях нет постоянных генотипов, а есть постоянный генофонд, способный формировать беспредельное число возможных генотипов (Врмггс, Ноулз, 1972, с. 166). При воспроиз-водсгве генетической структур),! популяций перекрести и ков надо сохранять не генотипы, а частом»! генов в генофонде, а для этого рекомендуется отбирать в 2-3 раза меньшее число растений, чем требуется для сохранения состава популяций самоопылителей (Scossiroli, 1986).
A.B. Анашеико (1978а) считает, что при использовании методов академика B.C. Пуетовойта 30 лет отборов из популяций одного происхождения соответствуют 3-4 годам самоопыления, т. е. в итоге величины коэффициентов инбридинга должны были подняться до 1 87,5 или F- 93,8 %. При улучшающем семеноводстве сортов за 30 лет было проведено 15 поколений отбора, но и за этот период до такого высокого уровня иибредиосгь сортов не может подняться при приростах коэффициента инбридинга на одно поколение не только AF 0,127 % при отборах по 100 семей, но и AF 1,27 % при отборах по 10 семей в каждом поколении (см. табл. 2).
В значительно большей степени изменяются параметры при селекции сортов методом индивидуального отбора, при котором каждый сорт создается на основе семьи потомков одного родоначального растения. Этим методом были созданы, например, такие известные сорта, как Кругл и к А-41 и К рут лик 1846 (Пусто войт, 1940), Маяк (Жданов, 1964), ВИИИМК 1813 и ВПИИМК 1646 (Зайцев, 2003), Саратовский 169 (Купцов, 1971, с. 2 09-210). Переопыление 11 ото м ков- п ол у с и бо в одного м ат е р и не ко j о р о до н а ч а~ i ь н о г о растения приводит к увеличению коэффициента инбридинга как минимум на AF 12,7 % и велика вероятность утрат аллелей, содержащихся в исходной популяции с частотой более 50 % (табл. 2). При резком увеличении численности семьи в следующем поколении гомозигот изация практически прекращается, но степень инбридинга и частоты аллелей в генофонде сохраняются на достигнутом уровне (Солбриг, Солбриг, 1982, с. 182). Однако продолжение отборов растений с определенными признаками способствует дальнейшему нарас танию родс твенно близких форм в сорте подсолнечника (Плачек, 1936).
В еще большей степени изменялись такие параметры популяций при использовании многократно! о индивидуального отбора до введения в схему селекции сортов подсолнечника питомника направленного переопыления. По описанию B.C. Пуетовойта (1940), из сорта Круглик 7-15-163 была выделена семья № 3, из которой было отобрано родоплчальное растение сорта Круглик А-41, а из пего - элитное растение - родоиачаль-нос для сорта Круглик 1846, из этого сорта получена семья № 2538, из которой также индивидуальным отбором был выведен сорт ВПИИМК 3519, а затем из него таким же методом - высокоурожайная семья № 4078. Если бы во время этой серии отборов не действовали факторы, смягчающие негативные эффекты близкородственного разведения, то такой шестикратный индивидуальный отбор довел бы в итоге коэффициент инбридинга до F 50,9 %, что превышает уровень этого коэффициента, достигаемый при однократном самоопылении (Рокицкий, 1978, с. 338).
B.К. Морозов (1946) выступал против использования при селекции подсолнечника миоткратпого индивидуального отбора из близкого по происхождению материала, считая, что такое близкородственное размножение ведет к уменьшению наследственной изменчивости и к инбредной депрессии. Однако E.H. Синская (1946) констатировала не только отсутствие депрессии у сортов B.C. Пуетовойта, но и отмечала даже во многих случаях большую мощность их растений по сравнению с исходными низкомасличными сортами. Так же характеризует А.И. Купцов (1971, с. 209-210) растения сорта Саратовский 169, созданного также из одной семьи. Анализируя подобные факты, он пишет: "Многократный и непрерывный семейственный отбор давал нам прекрасные сорта ржи,
свеклы, подсолнечника и ряда других растении оез всяких следов депрессии. Следовательно, приближение к гомочиготности при непрерывном контроле со стороны селекционера за продуктивностью отбираемых растений и качеством их продукции вполне осуществимо без депрессии из-за относительной гомозиготности" (Купцов, 197 К с. 222).
) тот вычгл нол.твержл.ас"!ся тем. что 'такие copia потсолнечиика, (л.'.лонные -таким методом, как Кругл ик А-41, Кругл и к 1846. Саратовский i 69 и лр>) пе илхолилмсь десятилетиями в сортовом районировании и выращивались на огромных площадях.
B.C. Пустовойт (1945) наблюдал проявление депрессии во втором и последующих поколениях семей при селекции подсолнечника методом многократного индивидуального отбора. Однако при этом жизненность растений была снижена в слабой степени, а V части изучаемых семей инбредная депрессия не обнаруживалась. Отбор таких семей обеспечивал высокий уровень урожайности создаваемых сортов подсолнечника. По мнению А.И. Гундаева (1971), такой отбор повышает уровень гетерозиса популяции, т. к. при испытаниях семей выявляются лучшие комбинации от скрещивания родоначальных растений с общим тестером - исходным родительским сортом. На основе анализа опыта селекционной практики и данных экспериментальной генетики А.И. Купцов (1971, с. 208-209) пришел к выводу об ошибочности представления ортодоксальных дарвинистов о полной зависимости проявления гетерозиса от уровня общей гетерозиготное] и, а следовательно нет и тесной связи между величиной коэффициента инбридинга и степенью депрессии. Он показал, что гетерозис обусловлен гетерозиготнос-тью лишь в некоторых локусах, поэтому при отборах семей полусибов из популяций перекрестников можно добиваться гомозиготности по многим селекционным признакам без заметной депрессии ж из нес и о с о б н ости И I гл о до в и гости.
Важной предпосылкой проявления гетерозиса у семей полусибов является сложность их генетической структуры за счет разнообразия гамет разных отцов. Если же при парных скрещиваниях у всех потомков одной матери также и одно отцовское растение, то при скрещивании особей таких семей полных сибов инбредность возрастает на А1 " 25 % (см. табл. 2), поэтому в следующих поколениях наблюдается инбредная депрессия по элемен там продуктивности (Пустовойт Г.В.. Хатнянский, 1980).
При селекции сортов подсолнечника методом индивидуального отбора велика вероятность утраты аллелей, имевшихся в исходной популяции (см. табл. 2). Поскольку при увеличении числа отцов семьи потомков родоначального растения с 4 до 60 эффективная численность популяции возрастает лишь с Ne-3,2 до ]Mt:--o,93, в потомстве одного материнского растения даже при увеличенном числе доноров пыльцы могут не сохраняться с вероятностью 95 % не только редкие аллели, но и содержавшиеся в исходной популяции с частотами 50 % и выше. При использовании многократног о индивидуального отбора переходить в гомозиготное состояние могут аллели многих локусов.
По мнению В.К. Морозова (1946, 1947, с. 182-183), A.B. Анашенко (1978а. 19786), А.Н. Рябо ты (1985), десятилетия использования метода индивидуального отбора из близкородственных популяций подсолнечника привело к такому уровню гомозиготности сортов-популяций, который не позволяет вести селекцию на урожайность и адаптивность, обусловливает необходимость коренною изменения методики селекции и привлечение нового исходного материала. В то же время А.И. Гундаев (1971) и Г). Skoric (1988) считают, что разработанные B.C. Пустовойтом методики селекции и улучшающею семеноводства сортов подсолнечника обеспечивают получение постепенных изменений в популяции при одновременном сохранении генетической изменчивости, необходимой для проведения дальнейших отборов. На основе популяционного анализа результатов работы и методики B.C. Пусговойта Е.П. Синская (1948, с. 197) пришла к выводу, что
длительный непрерывный отбор в одном направлении m одной экотипической популяции в определенных экологических условиях перестраивает конституцию организмов, ускоряя за счет этого изменчивость в желательном направлении и темпы селекции.
И.С Пустовойт (1940) считал важным принципом своей работы проведение отборов селекционной элиты из лучшею селекционного сорта последнего выпуска, мало использовал гибридизацию с материалом иною происхождения (Пустовойт, 1952). В то же время Л.А. Жданов (1946) считал необходимым свободное переопыление сортов различною происхождения для повышения наследственной изменчивости исходного материала. Однако А.И. Гундаев (1964) установил, что гетерозиготность сорта-популяции подсолнечника настолько велика, что предварительное усложнение генотипической структуры сорта путем скрещивания его с другими сортами не только бесполезна, но и затрудняет последующий индивидуальный отбор, замедляет работу. К такому же выводу пришли К.II. Moll и C.W. Stuber (1971) при проведении индивидуального отбора полных сибов из сортов кукурузы. Анализ генетической структуры популяций подсолнечника пу тем самоопыления растений показал, что даже после многолетнего непрерывного индивидуального отбора сорт Саратовский 169 и другие сорта оказались в высокой степени гетерозиготными (Плачек, (936). Отмечая, что сорт Саратовский 169 и после последующих десятилетий непрерывного отбора оставался гетерозиготным, А.И. Купцов (1971, с. 208-210) пишет, что при селекции сортов перекрестиоопылителей отбор должен закреплять в семьях гомозиготность по признакам экономического значения при сохранении гетеро нп о1 тюсти по локусам, определяющим гетерозис.
С целью подтверждения своего вывода о непригодности индивидуального отбора л.ля селекции сортов подсолнечника на повышение урожайности и адаптивности В.К. Морозов (1947, с. 184) ссылается на результаты проводившихся в США опытов, в которых была установлена высокая результативность початкорядного отбора на изменение содержания масла и белка в зерне кукурузы, но неэффективность этого метода при селекции на урожайность. Однако крупнейшие специалисты США, работавшие с кукурузой, Дж.Ф. Спрэг ( 1957) и P.V. Югенхеймер (1973, с. 69. 71) писали, что метод початкорядного отбора на урожайность не дал положительных результатов не вследствие неудовлетворительности его с генетической точки зрения, а по причине непригодности методики испытаний потомств для точной оценки урожайности. После того как Лонквист усовершенствовал этот метод за счет проведения испытаний потомств в 4-кратной повторности и использования 4-рядных делянок, его применение позволило эффективно повышать урожайность сортов-популяций кукурузы (Lonnquist, 1964; Webel, Lormquist, 1967: Compton, Comslock, 1976; Compton, Bahadur, 1977).
Конечной целью и критерием успеха при селекции подсолнечника B.C. Пустовойт (1946, 1952, 1967) считал выведение сортов, дающих наивысший сбор масла с гектара. У создаваемых им сортов последовательно повышалась масличность семян и семянок, по пому было широко распространено представление, будто используемая при этом методика обеспечивала увеличение сборов масла только за счет повышения масличное m, но была неэффективна при селекции на урожайность. Однако детальные исследования показали, что причиной повышения сборов масла явилось только увеличение урожаев собственно семян (ядер семянок), т. к. при этом и их масличность возрастает из-за снижения процента белка с ростом урожая, а урожайность семянок менялась мало вследствие уменьшения сборов лузги по мере снижения лузжистости (Пустовойт. Дьяков, 1971). Поэтому высказывания о непригодности разработанной B.C. Пустовойтом методики для выведения высокоурожайных сортов являются следствием ошибочных пред-
ставлен и и о характере происходящих в растениях подсолнечника изменении в результате селекции.
B.C. Пустовойт (1964. 1967) представлял селекцию сортов подсолнечника как циклический процесс. Каждый из таких циклов состоит из процессов рекомбинаций во время переопыления лччших генотипов. отбора элишых раслений. испытания их по томств и отбора лучших семей для переопыления в начале следующего селекционной) : цикла (Пустовойт, 1946, 1952). Поэтому отбор селекционной элиты производился преимущественно на участках размножения лучшего селекционного сорта последнего выпуска (Пустовойт, 1940) при минимальном использовании иного материала для гибридизации (Пустовойт, 1940, 1952). Такой подход обеспечивал в каждом цикле повышение частот желательных генов в популяции. B.C. Пустовойт (1946) писан об этом: "... у этой новой линии ... создаются новые возможности ... как в отношении большей частоты возникновения прогрессивных гибридных комбинаций по сравнению с сортом, из которого эта линия была выделена, так и в отношении таких гибридных комбинаций с повышенными и в количественном и в качественном отношениях положительными признаками, которые в исходном сорте не могли быть выявлены'" (подчеркнуто B.C. Пусти войтом).
Весь этот комплекс особенностей методики B.C. Пустовойта в полной мере соответствует принципам рекуррентной селекции растений. Поэтому многие авторы справедливо считают не только эту методику селекции, но и метод улучшающего семеноводства сортов подсолнечника оригинальными вариантами простого периодического отбора, т. е. рекуррентной селекции (Гундаев, 1971; Турбин, 197!; Гуляев, Гужов, 1972, с. 238; Ка-] минская, 1985, с. 56-57).
Рекуррентная селекция ведется на основе лучших сортов или синтетиков, в генофонде которых повторяющимися циклами рекомбинаций и отборов повышается концентрация желательных генов, имевшихся в исходной популяции. Такую методику A.C. Серебровский (1969, с. 147-148) характеризует как селекцию "в себе" в противоположность селекции с использованием гибридизации, которая может быть комбинационной или трансгрессивной (Akerman, Mackey, 1948). Поэтому нельзя считать предложенную
A.B. Анащеико (1977, 1978а) методику селекции сортов подсолнечника на основе гибридизации с образцами мировой коллекции ВИР вариантом рекуррентной селекции, т. к. такие скрещивания приведут к рассеиванию уникальных концентраций положительных аллелей. Такое предложение могло возникнуть только вследствие непонимания су ти рекуррентной селекции. Об этом свидетельствует ошибочная характеристика метода B.C. Пустовойта, который A.B. Аиащенко (1978а) определил как "'вариант периодического рекуррентного отбора'*. По его представлению такой отбор является периодическим потому, что методика не менялась многие десятки лет, а рекуррентным потому, что улучшению подвергаются популяции одного происхождения. Это не только не отражает суть рекуррентной селекции, но и грамматически не верно, т. к. термин ''периодический от-
t бор" является неудачным переводом английского словосочетания '"recurrent selection" (Турбин, 1971; Хаминекая, 1985, с, 3).
Приблизительно одинаковые темпы повышения сборов масла при реализации
B.C. Пустовойтом программ селекции и улучшающею семеноводства достигались при различных интенсивностях отбора и степени воздействия на параметры популяции. При селекции была выше интенсивность отбора, но более длительные циклы. При семеноводстве - предельно короткие циклы отбора при низкой его интенсивности. По приростам коэффициентов инбридинга на один цикл эти методики различались не менее чем в 100
° 1 ^ j
раз (см. i абл. 2). В связи с этим важно выяснить до пусти мые диапазоны уровней AF и их оптимальные значения в разных программах рекуррентной селекции.
В животноводстве используется умеренный инбридинг, коэффициент которого не превышает F 10 хотя в некоторых стадах доходит до F-25 % и выше (Ьрюбейкер, ¡966, с. >5). При рекуррентной селекции кукурузы считается, что при достаточно полном перекрест ном опылении растений в предыдущей популяции очередной синтетик следует" формировать из 10 линий, что обеспечивает максимально допустимую скорость инбри- : цинга Лг 2,8 % на цикл (Spragne, Miller, Brimhall, 1952; Спрэг, 1957). При формировании популяций подсолнечника из семей полусибов близкие приросты в каждом цикле коэффициентов инбридинга ДР- 2,5 % и AF-2,6 % можно обеспечивать при переопылениях 5 или 6 семей при 60 или 4 отцах каждой семьи соответственно (табл. 2).
Даже после 6-кратного индивидуального отбора с приростами в каждом цикле коэффицента инбридинга не менее АРМ2,5 % B.C. Пустовойт (1940) выделял высокоурожайные семьи без признаков депрессии. Однако с 1945 г. он начал писать о наблюдаемых им фактах инбредной депрессии и о мерах, которые он вынужден был принимать для избежания негативных последствий близкородственных скрещиваний (Пустовойт, 1945, 1946).
Возможность разработки таких мер становится понятной, если учесть, что приведенные выше оценки инбридинга и вероятностей утраты редких аллелей вычисляются по формулам, отражающим сдвиги параметров идеальных панмиктических популяций без учета >ффсктов мутаций, миграций, отбора, неполного перекрестною оплодотворения. Вследствие небольшой частоты спонтанных мутаций в малых популяциях их влияние на степень гетерозиготное)и и генные частоты значительно меньше по сравнению с отбором , величиной эффективной численности популяции, степенью папмиксии (Меттлер. Грсгг, 1972, с. 134,191). Основным механизмом миграций (потока генов) при селекции и $ семеноводстве подсолнечника является опыление корзинок селектируемых популяций пыльцой других сортов или семей полусибов. Чем интенсивней миграции, тем эффективней восстанавливается гетсрозиготиость популяций, но снижается эффективность отборов. При невысокой скорости миграций особенно велики возможности ограничения гомозигот изации популяций отбором в пользу гетерозигот (Никоро и др., 1968, с. 137; Свирежев, Пассков, 1982, с. 185). При численности популяции 50 особей достаточно 1 %-ного отбора для предотвращения случайного закрепления аллелей (Меттлер, Грегг, 1972, с. 189J92). Па примере популяций Helicmthus annum N.S. Ellslrand, A.M. Torres и D.A. Levin (1978) показали, что чем меньше гетерозиг отность проростков, тем в большей мере естественным отбором уменьшаются коэффициенты инбридинга взрослых растений по сравнению с величинами F у проростков, причем отрицательные величины разницы достигаю) А г 46 %. Выбраковка слаборазвитых растений и низкоурожайных семей потомков также поддерживает гетерозиготноеть популяций подсолнечника при их селекции и семеноводе(вс. За счет этого отбор обеспечивает также накопление в популяции клюв самонесовместимости, которые являются важным фактором поддержания высокого « уровня генетической гетерозиготности (Френкель, Галун, 1982, с. 237). В создаваемых из инбредных линий синтетических популяциях подсолнечника из-за низкой частоты генов самонесовместимости велика вероятность самооплодотворения (Robinson, 1980). Поэтому при рекуррентной селекции на основе таких синтетиков в них трудно обеспечивать перекрестное оплодогорение особей во всех комбинациях, что не только снижает эффективность рекомбинаций, но и увеличивает коэффициенты инбридинга в соответствии с формулой (Nei, Syakndo, 1958):
I до Л - частота перекрестного оплодотворения. Этот фактор особенно сильно влияем па ко^ффицеит инбридинга при небольших значениях численности популяции (Коростышевский, 1976).
Для рекуррентной селекции особенно важны процессы рекомбинации по двум причинам. Во-первых, они противодействуют истощению запаса генетической изменчивости популяции, т.к. даже при небольшом числе гетерозиготных локусов обусловливают возможность образования огромного множества генотипических вариантов. Во-вторых, в процессе мейотической рекомбинации возникают уникальные генные комплексы, что обеспечивает возможность рекуррентным отбором концентрировать ценные гены в leno-фонде. Как и в исследованиях с кукурузой, в программе рекуррентной селекции полсолнечника также установлены высокие реакции на отбор и одновременно не только сохранение наследственной изменчивости в популяции, но даже удвоение коэффициента наследуемос ти (Mishra, Chaubey, 1987).
Первой мерой, принятой с целью избежания отрицательных последствий родственною разведения при селекции подсолнечника, был отказ от многократною индивидуального отбора и его замена однократным после переопыления между растениями лучших но томе тв в каждом цикле (Пустовойт, 1946). Однако при этом еще использовалась утвержденная в 1939 г. схема индивидуального отбора, в которой отсутствовало такое звено как питомник направленного переопыления. Это звено было введено позже путем двух важных изменений методики закладки пространственно удаленных изолято-, ров (Пустовойт, 1952). Во-первых, число рядов кукурузы между делянками, засеянными ^ семьями потомков селекционной элиты подсолнечника, было сокращено с 3-5 до одного ряла, что резко усиливает взаимное переопыление семей (см. рис. 1. рис, 2), увеличивает обмен генами вследствие миграций. Во-вторых, в отличие от прежних пространственных изоляторов в питомники направленного переопыления высевали семьи полусибов не одновременно с их испытаниями в питомнике оценки погомств, а после таких испытаний, по результатам которых отбирались и переопылялись между собой только самые лучшие семьи. Это позволило до минимума снизить отрицательное влияние интенсивных миграций генов на эффект ивность отборов.
Принятие описанных мер для нейтрализации отрицательных проявлений родственною размножения при использовании в селекции подсолнечника высоких иитенсив-ностей отборов позволило еще многие годы эффективно применять индивидуальный отбор для увеличения сборов масла. В то же время следует признать ведущую роль отбо-1 ра в поддержании гетерозиготности популяций и наследственной изменчивости в них.
Это доказывается высокой результативностью применения интенсивною многократного индивидуального отбора до введения в схему селекции питомника направленного Î переопыления. Следует особо подчеркнуть, что высокая эффективность проводимых
B.C. Пустовойтом отборов была возможна только при надежных оценках наследст венных достоинств изучаемых генотипов. Методику таких оценок B.C. Пустовойт (1940) разрабатывал 15 лет и лишь на этой основе были обеспечены успехи в селекции и улучшаю-тем семеноводстве сортов подсолнечника. Принципиально важно то, ч то разработанные им методы были надежными не только при деляночных испытаниях семей потомков элит. B.C. Пустовойт (1940) особенно подчеркивал важность точной оценки генотипов отдельных растений по их фенотипам, т. к. возникающие в каждом поколении перекрестно-
опыляющемся популяции уникальные генотипы не воспроизводятся в последующих поколениях.
Таким образом, рассмотрение методов селекции и улучшающего семеноводства сор юн подсолнечника и других перекреетпиков с позиций популяционной генет ики и биологии популяций позволяет сделать следующие выводы. При надежной идентификации продуктивных генотипов рекуррентная селекция может быть эффективной при использовании широкого диапазона и нте не ив ноет'ей отборов. Применявшиеся минимальные интенсивности отборов семеноводческой элиты практически не влияли на степень пнбредности популяций и могли приводить к утрате только очень редких аллелей. При использовании же в селекции сортов подсолнечника однократного и, особенно, многократного индивидуального отборов приросты коэффициента инбридинга были выше А1 * 12,5 % ira один цикл, была высока вероятность утраты даже аллелей, содержащихся в популяциях с высокой частотой. Такая высокая интенсивность отборов позволяет эффективно концентрировать желательные гены в генофонде популяции при условии высокой надежности как оценок семей потомков элит по результатам деляночных испытаний, так и идентификации генотипов по их фенотипам при отборах элитных растений. Кроме этого, должны приниматься также другие меры минимизации инбредиой депрессии и истощения генетической изменчивости в популяциях.
