Пути создания генотипов пшеницы, адаптированных к изменяющимся условиям климата Сибири

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2013, №2

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ

УДК 631.527:633.11.585.1

Пути создания генотипов пшеницы, адаптированных к изменяющимся условиям климата Сибири

П.Л. Гончаров, П.И. Степочкин, Б.Ф. Немцев, Н.П. Гончаров

Получены гибриды и линии мягкой яровой пшеницы Triticum aestivum L. на основе её перекрещивания с родственными видами и линиями, обладающими доминантными генами Vrn, отвечающими за яровой тип развития растения. Они различаются по длине вегетационного периода и устойчивости к неблагоприятным факторам среды. Уточнены типы спелости сортов этой культуры для разных зон Сибири.

Ключевые слова: генотип, интрогрессия, пшеница, гибрид, изогенная линия, тип спелости, длительность вегетационного периода.

The hybrids and lines of common spring wheat Triticum aestivum L. on the ground of the crosses of this wheat species with its relatives and lines having dominant Vrn genes, responsible for the spring type of the plant development are received. They differ in the length of vegetative period and resistance to unfavorable environment factors. The ripeness types for the wheat varieties are verified for different zones of Siberia.

Key words: genotype, introgression, wheat, hybrid, isogenic line, type of ripeness, vegetative period duration.

Введение

Прогнозы глобального и локального изменения климата для многих регионов мира, в том числе в Российской Федерации и на ее отдельных территориях из-за потепления вместе с усилением засушливости приведут к изменениям в структуре площадей, засеваемых основными сельскохозяйственными культурами [1], и смещению основных зон их возделывания. Смещение зональности может привести к тому, что возделывание переместится с более плодородных почв на менее плодородные: лесостепь на подтаежную зону с черноземов на серые лесные почвы, подтаежная на таежную с серых лесных почв на подзолистые.

Следовательно, потребуются сорта более скороспелые и засухоустойчивые для южных территорий и холодостойкие раннеспелые с более коротким периодом вегетации для северных

ГОНЧАРОВ Пётр Лазаревич - акад. Россельхозака-демии, зав. отделом ГНУ СибНИИРС СО Россель-хозакадемии; СТЁПОЧКИН Пётр Иванович -д.с.-х.н. зав. отделом ГНУ СибНИИРС СО Россель-хозакадемии; НЕМЦЕВ Борис Фёдорович - н.с. ГНУ СибНИИРС СО Россельхозакадемии; ГОНЧАРОВ Николай Петрович - чл.-корр. Россельхозакадемии, зав. лаб. ФГБУН ИЦиГ СО РАН.

территорий, при этом способные резко не снижать урожайность при возделывании на менее плодородных почвах, а также устойчивые к вредителям и болезням, распространенным в «новых» зонах их предполагаемого возделывания.

Таким образом, новые сорта, наряду с высоким генетическим потенциалом продуктивности, должны отличаться устойчивостью к неблагоприятным факторам внешней среды, иммунностью и обеспечивать получение продукции высокого качества в условиях изменяющегося климата. При этом они должны быть способны формировать достаточно высокий и стабильный урожай.

Одним из основных параметров, который определяет адаптивность, является длина вегетационного периода. Наименьшей обладают скороспелые яровые формы. Поэтому изучение генетического контроля ярового типа развития и интрогрессия новых аллелей и генов, его обусловливающих, актуально для увеличения селекционного материала для решения проблемы скороспелости.

В задачу представленной работы входило наметить пути создания генотипов растений, адаптированных к изменяющимся условиям сибирского климата, и на их основе создать формы яровой мягкой пшеницы.

Материал, методы и условия проведения исследований

Материалом для исследований служили межсортовые, отдалённые гибриды и селекционные формы пшеницы, созданные в разные годы в ФГБУН ИЦиГ СО РАН и в ГНУ СибНИИРС Россельхозакадемии и изученные в 2011— 2012 гг.

Изучали гибриды F3 от скрещиваний почти изогенных линий по генам Vrn (Triple Dirk B (Vrn 2), Triple Dirk F (Vrn 4), Triple Dirk E (Vrn 3) и Triple Dirk D (Vrn 1)) с гексаплоидными пшеницами T. Antiquorum Heer ex Udaz., T. Com-pactum Host и T. Spelta L., а также линии гибридного происхождения, полученные в разные годы от межсортовых скрещиваний мягкой яровой пшеницы.

В гибридном питомнике F3 от межвидовых скрещиваний высевали в середине мая ручной сеялкой на площади 0,3 м2. В питомнике конкурсного испытания высевали на делянках 25 м2 в четырёхкратной повторности линии F9-F12 от сложных внутривидовых скрещиваний.

Результаты обрабатывали статистическими методами, размещёнными в компьютерной программе «Снедекор», созданной О.Д. Сорокиным.

Результаты и обсуждение

За последние 40 лет урожайность пшеницы в мире увеличилась почти в 2 раза. В настоящее время в мире освоены значительные площади земельных угодий, однако урожаи не везде и не всегда бывают достаточно высокими и стабильными. Не в последнюю очередь это связано с неустойчивостью климата на основных территориях возделывания сельскохозяйственных культур. В связи с этим важно не только создавать сорта, обладающие высоким потенциалом продуктивности для интенсивных агрофонов, но и дать прогноз направлений селекции сельскохозяйственных культур и определить тренды изменения климата. Основным моментом при селекции на оптимизацию длины вегетационного периода является долгосрочный климатический прогноз.

Данные Огурцовской метеостанции (Новосибирская обл.), расположенной близ опытных полей ГНУ СибНИИРСа, показывают тенденции изменения климата в данном регионе. 2012 г. по всем метеорологическим показателям был необычным. Такого сочетания высоких температур и критически малого выпадения осадков за сто предыдущих лет наблюдений не отмечалось. Средняя температура воздуха в июне была выше среднемноголетней на 4,9оС, июле - на 3,1°С. При этом осадков меньше

среднемноголетних значений выпало в мае на 24,2 мм, в июне - на 36 мм, в июле - на 53,3 мм. Сумма эффективных температур за период всходы-вегетация (21 мая-10 августа) составила в 2012 г. 1347, по среднемноголетним данным она равняется 1004°С, т.е. в 2012 г. к средне-многолетним значениям 343°С. Это привело к сокращению периода вегетации в 2012 г. на две недели и снижению урожайности.

В ИЦиГ СО РАН В.М. Ефимовым проанализированы методом главных компонент данные по числу лет с метеорологическими экстремумами и повсеместными неурожаями в Восточной Европе за 2500 лет. На основе этого сделано предположение, что на протяжении ближайших 80-90 лет нас ожидает продолжение потепления по естественным причинам, а это вызывает необходимость обратить пристальное внимание на создание генотипов возделываемых растений, позволяющих вести селекцию на заданную длину вегетационного периода.

Мы проводим методические исследования по совершенствованию селекционного процесса, для чего необходимо было решить проблемы по уточнению типов спелости сортов, подбору пшеничных рекомбинантов полученного селекционного материала, обладающего заданными параметрами выраженности урожайности, качества, пластичности и устойчивости к стрессам. В связи с этим проведены исследования по продолжительности вегетационного периода у сортов мягкой яровой пшеницы разных групп спелости и получены межсортовые и межвидовые гибриды с разными генами, отвечающими за тип развития (яровость-озимость) растений.

В настоящее время большинство возделываемых сортов мягкой пшеницы Сибири отнесены к 4 типам спелости: раннеспелые типа Новосибирская 15, среднеранние типа Новосибирская 29, среднеспелые типа Новосибирская 89, сред-непоздние типа Баганская 95. В связи с изменениями климата для продвижения в более северные районы нужны сорта ультраскороспелые типа Приленская 19 и для возделывания в южных районах позднеспелые типа Барнаульская 32 [2].

Результаты проведённых нами исследований показывают важность использования в селекции сортов и селекционных форм пшеницы с различными доминантными генами, отвечающими за проявления признака продолжительности вегетационного периода, так как он является одним из важнейших признаков в условиях изменяющегося климата.

Являясь одним из основных параметров селекции, длина вегетационного периода, характеризующая сорт или образец по степени спе-

ГОНЧАРОВ, СТЕПОЧКИН, НЕМЦЕВ, ГОНЧАРОВ

лости (от ранне- до позднеспелого) для разных видов растений градации признака различна (табл. 1).

В зоне степи и лесостепи юга не возделыва-ются раннеспелые и среднеранние сорта, в то время как в северной лесостепи и в подтаёжных зонах не возделываются среднепоздние и, кое-где, позднеспелые сорта пшеницы.

Скоро- и позднеспелость - наиболее четко выраженные характеристики сорта любой возделываемой культуры. Важно, чтобы для каждой зоны вегетационный период сортов не превышал безморозный. В соответствии с этим для каждой зоны устанавливаются конкретные параметры для элементов продуктивности: число продуктивных стеблей на единицу площади, число и масса вегетативных и репродуктивных органов на 1 растение, масса 1000 зерен, содержание белков, уровень устойчивости к неблагоприятным факторам среды и т. д.

Считается, что скороспелость, характеризуя изучаемые образцы (сорта), может колебаться в зональном аспекте. У пшениц скороспелость -сложный признак, контролируемый генами

Т а б л и ц а 1

Соотношение сортов разных типов спелости по зонам возделывания Западной Сибири, %

Т а б л и ц а 2

Частоты встречаемости генотипов по генам Угп селекционных сортов Казахстана, Западной Сибири и местных сортов Сибири

с различными эффектами взаимодействия [3]. Основные различия в его проявлении дают гены системы Vrn, контролирующие тип развития (яровость-озимость) и скорость индивидуального развития растений пшеницы. На данный момент у пшениц с использованием молеку-лярно-биологических методов проклонировано три гена локуса Vrn 1.

Результаты геногеографического исследования сортов Сибири по генам Vrn 1-Vrn 3 приведены в табл. 2. Из таблицы видно, что современные коммерческие сорта теряют позднеспелость и становятся все более скороспелыми -яровость у них контролируется двумя доминантными генами.

Сорта, генотип которых содержит оба доминантных гена Vrn 1 и Vrn 2, доминируют в посевах изученных эколого-географических зон. Генотипы мягкой пшеницы с доминантным геном Vrn 3 отсутствуют в сибирском регионе и лишь один сорт из Северного Казахстана содержит два доминантных гена Vrn 1 и Vrn 3, т.е. адаптивность сортов в Сибири в значительной степени связана с наличием в их генотипах обоих генов Vrn 1 и Vrn 2.

Поскольку гибридизация является более распространенным способом создания селекционного материала, следует подобрать рекомбинан-ты и получить гибриды новых поколений с разным сочетанием генов, отвечающих за тип развития растения. Известно, что надо подбирать рекомбинанты, устойчиво передающие свои положительные признаки гибридному потомству

[4, 5].

В гидропонной теплице ИЦиГ СО РАН получены гибриды F3 мягкой пшеницы с участием других гексаплоидных видов пшеницы: TDD (Vrn 1) х Барнаульская 32, TDE (Vrn 3) х Барнаульская 32, TDF (Vrn 4) х к-56397 T. antiquorum, TDB (Vrn 2) х к-21987 T. compactum, TDB (Vrn 2) х к-21987 х T. compactum, TDD (Vrn 1) х к-152 T. spelta, TDD (Vrn 1) х к-152 T. spelta. У них отмечена разная продолжительность вегетационного периода, варьирующая от 70 (TD D х к-152 T. spelta) до 75 суток (TD В х к-21987 T. compactum) (табл.3).

Следует отметить, что гены Vrn по-разному влияют на продолжительность вегетационного периода. Почти изогенные линии пшеницы сорта Triple Dirk с разными генами Vrn по степени уменьшения этого признака располагаются следующим образом: Triple Dirk B (Vrn 2) > Triple Dirk F (Vrn 4) > Triple Dirk E (Vrn 3) > Triple Dirk D (Vrn 1) [6]. У гибридов от скрещиваний мягкой пшеницы с выведенными из возделывания видами гексаплоидных пшениц длина вегетационного периода зависела и от второго роди-

Число селекционных сортов Число ме-

Генотип (гап- Северный Казахстан стных об-

лоидный) Урал Сибирь разцов Сибири

Vrnl vrn2 vrn3 3 10 6 3

vrn1 Vrn2 vrn3 0 1 2 1

vrn1 vrn2 Vrn3 0 0 0 0

Vrnl Vrn2 vrn3 11 23 49 67

Vrnl vrn2 Vrn3 0 1 0 0

vrn1 Vrn2 Vrn3 0 0 0 0

Vrnl Vrn2 Vrn3 0 0 0 0

Всего 14 35 57 71

Отличие от Сибири (местные), х2 3,86* df=1 15,66** df=3 3,71 df=2

* P > 0,95; ** P > 0,99.

Тип спелости

Зона Ранне- Сред- Сред- Сред-

спе- неран- неспе- непозд-

лый ний лый нии

Степь (Кулунда) - 60 35 5

Южная лесостепь (Бараба) - 65 30 5

Северная лесостепь (Бараба) 50 50 - -

Подтайга низменности 100 - - -

Подтайга предгорий 10 90 - -

Т а б л и ц а 3

Продуктивность и длительность вегетационного периода отдалённых и межсортовых гибридов пшеницы F3, полученных с участием изогенных линий сорта мягкой пшеницы Triple Dirk с разными доминантными генами типа развития растений

Происхождение линии Масса зерна с делянки, г Вегетационный период,

сут

Новосибирская 29 (стандарт) 10,2 69

ГО D х Барнаульская 32 9,4 73

ГО Е х Барнаульская 32 9,8 74

Новосибирская 29 (стандарт) 11,2 69

ГО F х к-56397 T.antiquorum 9,8 74

Новосибирская 29 (стандарт) 9,5 69

ГО В х к-21987 T.compactum 3,8 75

ГО В х к-21987 T.compactum 3,6 75

Новосибирская 29 (стандарт) 12,1 69

ГО D х к-152 T.spelta 25,9 70

ГО D х к-152 T.spelta 3,1 74

Сокр. : TD - Triple Dirk.

теля. Так, гибриды Triple Dirk D (Vrn 1) с разными формами Triticum spelta отличались по этому признаку на 4 дня.

По всем вышеперечисленным формам получены гибриды новых поколений. После полевой оценки и камеральной обработки они будут использованы в дальнейшей селекционной проработке.

В результате многолетних исследований оказалось, что лучшими материнскими формами в межсортовых скрещиваниях были Новосибирская 20, 29, 15, 81 и 44, Удача, Лютесценс 25, Скала СБР, Кантегирская 89, Алтайская 92 и др., отцовскими - Новосибирская 29 и 15, Кан-тегирская 89, Скала, BSIE, Полюшко, Сибирская 12, U-363956 и др.

В 2012 г. в гибридном питомнике выделились по продуктивности линии, в которых участвовали в качестве материнских форм: Легенда, Новосибирская 20, Омская 17, Сибирская 59 и La, а в качестве отцовских форм: Новосибирская 20, Новосибирская 29, Удача и Новосибирская 15 (табл. 4).

Привлечение в гибридизацию в качестве родительских форм сортов Новосибирская 20 и Удача привело к повышению устойчивости к мучнистой росе, что является одним из факторов увеличения адаптивности создаваемых сортов. Раннеспелость придают гибридам родительские формы Новосибирская 29 и Новосибирская 15. Высокое качество зерна во все годы испытания даёт сорт пшеницы Новосибирская 29. Многие гибриды, полученные с её участием, унаследовали этот признак. Сорт Новосибирская 20 отличается высокой стабильностью получения урожая, что также играет немаловаж-

Т а б л и ц а 4

Продуктивность, длительность вегетационного периода и степень поражения мучнистой росой у линий гибридного происхождения в гибридном питомнике 2012 г.

Уро- Веге-таци-онный период, сут Поражение

Происхождение жайность, т/га мучнистой росой, %

Новосибирская 20(стандарт) 1,23 66 20

((Сиб.59 х Красн.) х Лютесценс 25) х Нов. 20 1,23 69 40

(Ом.17 х Нов. 67) х Нов. 29 1,17 66 40

(Ъа х Красн.) х Нов.29 1,33 69 40

Легенда: (Нов.20 х Удача) 1,27 70 5

(Легенда х Нов. 20) х Нов. 20 1,17 69 20

(Нов. 20 х 301/4) х Нов. 15 1,27 67 20

Среднее по питомнику 1,24 67,9 26,4

Стандартное отклонение 0,.22 1,25 14,15

Сокр.: Сиб. - Сибирская, Красн. - Краснодарская 83, Нов. - Новосибирская.

ную роль в наследовании адаптационной способности гибридами, полученными с его участием.

Заключение

1. В результате проведенной работы уточнены типы спелости сортов мягкой пшеницы по продолжительности вегетационного периода, который должен быть короче или равным продолжительности безморозного. Обоснована необходимость использования дополнительно еще двух типов - ультраскороспелого для северных территорий и позднеспелого для засушливой степи.

2. Подобраны рекомбинанты, в том числе и при отдаленной гибридизации для создания гибридов новых поколений, которые могут стать основой создания генотипов растений, обладающих высокой урожайностью и качеством, устойчивых к абиотическим и биотическим стрессам в условиях меняющегося климата Сибири.

Работа частично финансировалась по проекту партнерских фундаментальных исследований между СО РАН и СРО Россельхозакаде-мии № 62.

Литература

1. Кислов А.В. Климат в прошлом, настоящем и будущем. - М.: МАИК. 2001. - 355 с.

2. Каталог сортов сельскохозяйственных культур, созданных учеными Сибири и включенных в Госреестр РФ (районированных) в 1929-2008 г. / Рос. акад. с.-х. наук. Сиб. регион. отд-ние. - Новосибирск, 2009. - Вып. 4, т. 1. - 208 с.

НЕУСТРОЕВ, ЕМЕЛЬЯНОВА

3. Goncharov N.P. Response to vernalization in wheat: its quantitative or qualitative nature // Cereal Res. Comm. - 2004. - V. 32, №3. - Р. 323-330.

4. Пухальский А.В., Максимов И.Л., Суркова Л.М., Соколова К.Д. Использование диаллельного анализа для оценки донорских свойств озимой пшеницы// Вестн. с.-х. науки. - 1982. - № 6. - С. 25-34.

5. Гончаров Н.П., Гончаров П.Л., Методические основы селекции растений. - Новосибирск: Акаде-мич. изд-во «Гео», 2009. - 427 с.

6. Pugsley A.T. Additional genes inhibiting winter habit in wheat / Euphitica. - 1972. - V. 21. - P. 547552.

Поступила в редакцию 04.04.2013

УДК 633.2/.3:631.524.86:632.1/.7

Агроклиматический потенциал Центральной Якутии для возделывания вики яровой

А.Н. Неустроев, А.Г. Емельянова

Приведено агроклиматическое обоснование возделывания вики яровой на семенные цели в Центральной Якутии. Установлено, что агроклиматические условия региона по сравнению с аналогичными по широте северо-западными регионами страны обеспечивают стабильное по годам созревание семян вики.

Ключевые слова: вика яровая, климатические, биологические, биоклиматические температуры, периоды развития.

Agroclimatic justification of cultivation of spring vetch for seed purposes in Central Yakutia is given. It is established that agroclimatic conditions of Central Yakutia in comparison with the similar on latitude northwest regions of the country provide stable ripening of spring vetch seeds for years.

Key words: spring vetch, climatic, biological, bioclimatic temperatures, development periods.

Введение

По теплообеспеченности в летнее время Центральная Якутия на расположенных широтах не имеет аналогов в мире. Средняя температура самого теплого месяца июля 18,7-18,9°С, такая же как в Орле и Курске.Сумма эффективных температур выше 10°С за летний период составляет около 1600°С. Такая теплообеспечен-ность позволяет возделывать широкий набор сельскохозяйственных культур, по большинству из которых у республики есть возможность самообеспечения семенами. Однако, однолетние бобовые культуры, в том числе и вика яровая, в республике почти не возделываются или высеваются в смесях на кормовые цели на ограниченных площадях. Это во многом связано с отсутствием районированных сортов вики яровой и дороговизной завоза семян извне республики.

По данным фенологических наблюдений с 2006 г. нами установлено достаточно стабильное созревание этой культуры [1]. Исходя из этого, предпринята попытка дать агроклиматическое обоснование возможности возделывания вики яровой на семена в условиях Центральной Якутии.

НЕУСТРОЕВ Алексей Николаевич - н.с. ГНУ ЯНИИСХ РАСХН; ЕМЕЛЬЯНОВА Алла Георгиевна - к.с.-х.н., зав. лаб. ГНУ ЯНИИСХ РАСХН, agronii@mail.ru.

Материалы и методы исследования

Материал исследования - вика посевная яровая, скороспелый гибрид Г-813 (Ленская 13) селекции СибНИИРС СО РАСХН (Краснообск), Якутского НИИСХ РАСХН.

Опыты проведены в 2008-2009 гг. в Ханга-ласском улусе на полевом стационаре ЯНИИСХ при разных сроках посева: с подзимнего (первая декада октября 2008 г.) и через 10-дневные интервалы в течение вегетационного периода. Подзимний посев условно принят за дату 3 мая. К этому сроку среднесуточная температура воздуха поднимается выше 2° С и начинается прорастание семян вики яровой. Закладка опыта, учеты и наблюдения проведены по общепринятой методике [2]. Агроклиматический потенциал определен по методу Д.И.Шашко [3]. Сумма биоклиматических температур выше 10°С рассчитана по формуле:

абк > 10°С = аб + Рк + Пш + Пм + + Пк + 200°С (250,300), где йбк > 10°С - сумма биоклиматических температур выше 10°С; Пб - сумма биологических температур; Рк - разность сумм температур в пределах лимитных температур развития растений и за период с температурой выше 10°С; Пш - поправка на широту местности; Пм - поправка на микроклиматические особенности местоположения; Пк - поправка на континентальность;