Биотехнология селекции растений на комбинаторику моногенных качественных и количественных признаков и перспективы ее развития в XXI веке

Овощеводство и садоводство

биотехнология селекции растении на комбинаторику моногенных качественных и количественных признаков и перспективы ее развития

В XXI ВЕКЕ

Ю. и. ЛвдЕЕв, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, академик Российской академии ,

Астраханский государственный университет,

Л. Ю. ЛВДЕЕВ, кандидат сельскохозяйственных наук,

Л. М. ИВАНОВА, научный сотрудник,

О. П. КИГЛШПЛЕВЛ, кандидат сельскохозяйственных наук, Государственное научное учреждение Всероссийский научноисследовательский институт орошаемого овощеводства и бахчеводства

414056, г. Астрахань, ул. Татищева, д. 20а; тел. (8512) 25-17-09, (8512) 61-08-20.

Ключевые слова: селекция, моногенно наследуемые признаки, томаты. Keywords: Breeding, monogenic inherited traits, tomatoes.

Бурное развитие генетики растений позволило по хорошо генетически разработанным сельскохозяйственным культурам выявить многие сотни и даже тысячи моно-гибридно наследуемых качественных признаков. Например, у культуры томата уже выявлено более тысячи таких признаков, в т. ч. признаки формы, размера, типа растений, листьев, цветков, плодов, устойчивости к болезням, вредителям и экстремальным факторам среды и др.

Из года в год их количество увеличивается. Специальными опытами на культуре томата было показано, что моногенная структура генома растений является преобладающей. Доля экспрес-сируюмых однолокусных генов в геноме томата, согласно данным Tanskley D. (1987), составляет 88 %, а включая и молчащие гены, изученные с помощью ДНК в других опытах исследователей [Bernatzky et al, 1986], составляет 53 %. Такой вывод подтверждается и накопленной огромной генетической коллекцией мутантов у многих сельскохозяйственных культур.

Признаки, наследуемые по сложной схеме — 2-3-мя генами — часто включают один главный ген со значительно преобладающим эффектом. Такой ген может быть выделен в отдельной линии, обеспечив моногибридное эффективное наследование признака. Это еще более расширяет потенциал выявляемых и накопляемых коллекций моногенных мутантов.

Нами проведен анализ известного мутантного коллекционного генофонда томата (TGC Report, 2008), а также многих моногибридно наследуемых признаков, применяемых в нашей 40 летней селекционной работе. Кроме того, мы проанализировали генетическую структуру более 40 наиболее распространенных гибридов F1 зарубежных селекционеров. Анализ показал, что в настоящее время в селекции при создании сортов и гибридов томата можно успешно применять более 200 моногенно-наследуемых признаков, включая маркерные рецессивные признаки и их доминантные аллели. Этот потенциал охватывает все основные морфологические, биологические и некоторые биохимические хозяйственно-ценные признаки томата, а также устойчивость ко многим биотическим и абиотическим факторам среды. Он может быть успешно применен для

комплексной моногенетическои селекции сортов и гибридов томата разных направлений использования продукции. Особую ценность представляет моногенетическая устойчивость к вредителям и болезням. На сегодня уже выявлено и используется в селекции более 35 доминантных и неполно доминантных генов устойчивости. Важно отметить, что рецессивные гены устойчивости не нашли практического использования в селекции, хотя уже известны 30-50 лет Кроме того, обнаруживаемые геноисточники устойчивости со сложным типом наследования впоследствии позволяли выделить высокоэффективные моногены устойчивости. Ни один из высокоэффективных генов устойчивости к патогенам и абиотическим факторам не был получен методом мутагенеза, а найден в основном в диком, а также в культурном, генофонде в готовом виде, что свидетельствует о сложной структуре и длительной эволюции таких генов.

Изложенные выводы полезно учитывать при поиске и селекции новых признаков устойчивости к вредителям, болезням и неблагоприятным факторам среды.

Большая ценность доноров моногенных хозяйственно-ценных признаков состоит в том, что селекция новых сортов и линий с их использованием значительно упрощается и превращается в чисто технический процесс их комбинаторики. Гомозиготные растения по рецессивным признакам томата можно получить путем отбора уже в F2, а по доминантным — в F3. При 2-2,5 поколениях выращивания растений в год можно за два года достигать сочетание 3-4 морфо-биологических и до 2-3 моногеных признаков устойчивости к болезням. Это показано нами в ряде публикаций [Авдеев, 1998; Авдеев и др., 2008].

Метод создания сортов на основе моногенных признаков назван нами моно-генетической селекцией, чтобы отличить от селекции, основанной на синтетическом подходе в учетах в F3-F6, при котором используется исходный материал с неизвестной генетической обусловленностью признаков. При моногенетической селекции отбор генотипов ведется не только по проявлению признака у взрослого растения, а чаще по признакам всходов, реакции их на заражение, по сцепленным маркерным генам.

Метод моногенетической селекции

может включать использование белковых (изоферментных) и/или ДНК-маркеров хозяйственно-ценных генов. Однако следует отметить, что такая маркерная селекция на сегодня очень ограничена, т. к. разработана на небольшом количестве моногенно управляемых хозяйственноценных признаков. При селекции на сочетание 3-х и более признаков требуется большое количество анализов на наличие маркеров, так как число контролируемых отбором растений необходимо многократно увеличивать при селекции на комплекс других хозяйственно-ценных признаков. ДНК-маркеры без проверки потомств на фенотипическое проявление признака не всегда гарантируют достижения цели из-за возможных рекомбинаций.

Для осуществления моногенетической селекции необходим наработанный базис исходных генотипов сортов. Этот базис предполагает наличие в селекционном процессе высокоурожайных сортов и линий разного направления использования, которые не несут хозяйственно-вредных признаков и достаточно хорошо адаптированы к региону возделывания, отлично завязывают плоды хорошего качества в условиях жары и резких перепадов температур. Базис включает комплекс хозяйственно-ценных качественных и количественных признаков растения с разной по сложности их генетической обусловленностью и эффектом взаимодействия генов.

Такие исходные базисные сорта подбираются селекционером из районированного ассортимента и используются для моногенетической селекции. Целью такой селекции может быть придание или изменение до 10 и более хозяйственноценных моногенно-управляемых признака. Например, для создания машинного сорта томата в Астраханской области могут быть использованы моногенные доноры с генами: штамбовый (d2) или обыкновенный невысокий куст (sp), удлиненный плод (о), яркой красной окраски (R) с повышенным содержанием ликопина (одс), отсутствием сочленения плодоножки (j-2 или j-1) и зеленого пятна в основании плода (u), устойчивости к растрескиванию (Rsc), резистентности к ВТМ (Tm-2), фузариозу (I1,13), вертициллезу (Ve), заразихе (Ora), вершинной гнили плодов (Ber) и другим болезням.

Овощеводство и садоводство

Для генов, которые обуславливают один признак, мы в своих работах используем термин моноген, чтобы отличить их от полигенов и управляемых ими признаков. Отдельные элементы моногенетической селекции уже используются ведущими зарубежными и некоторыми отечественными селекционерами. В стране пока не создано необходимого генофонда для осуществления полноценной комплексной селекции, основанной на использовании моногенов хозяйственно-ценных признаков, в т. ч. особенно моногенов устойчивости к болезням и вредителям, которые известны в зарубежных коллекциях. В нашей селекционной работе во ВНИИОБ постоянно поддерживается и используются доноры многих моногенно управляемых хозяйственно-ценных признаков.

Моногенетическая селекция по существу представляет собой создание сортов методом нанотехнологии. Нанообъекты-моногены путем регулируемых нанопроцессов, включающих контролируемую гибридизацию, оценки и отборы растений с их присутствием, переносятся и концентрируются в одном гомозиготном генотипе.

Созданные нами мето-

дом моногенетической селекции гомозиготные высокоурожайные 3 сорта томата Астраханский, Юрьевский и Транс Новинка вошли в научные разработки по использованию нанотехнологий в АПК [Авдеев, Коринец, 2008]. Два первых несут открытые нами доминантные гены Ora — устойчивость к заразихе египетской, Ber — устойчивость к вершинной гнили плодов, которые очень вредоносные в южной зоне РФ, и ген устойчивости к растрескиванию плодов (Rsc), а также устойчивости к вирусу табачной мозаики (Tm-2).

Генетическая структура Ora, Tm-2, Ber, Rsc, R, ogc, d2, u, О, j+, s+, обеспечивает этим крупноплодным (130-148 г) сортам при капельном орошении и минеральном питании высокую урожайность, до 136-141 т/га, и хорошее качество плодов. Машинный сорт томата Транс Новинка с сочетанием генов Ora, RSC, Tm, j-2, R, u, о, sp; s+ с массой прочного плода 60-70 г образует товарный урожай при такой же технологии 120 т/га [Мухортова и др., 2009].

Возможности и потенциал метода моногенетической селекции до последнего времени использовался для улучшения сортов только по качественным признакам. Со времен Г. Менделя вся генетика развивалась путем изучения и накопления только качественных признаков растений. Достаточно проанализировать расщепление по таким признакам у гибридов F2 (или В1) и проверить и подтвердить соответствие фактического расщепления теоретическому 3:1 (или 1:1), чтобы обнаружить моноги-бридное наследование.

С количественными или варьирующими признаками все оказалось сложнее. Варьирующие признаки в F2 и В1 имеют непрерывное варьирование и «генетический каркас нельзя отделить

от паратипического», вследствие чего известный менделевский анализ невозможно использовать [Серебровский, 1991]. Существенными методами генетического анализа оказалось невозможно определить, «обуславливается количественная изменчивость исключительно факторами среды или же имеет место изменчивость связанная с расщеплением» [Жученко, 1973].

Из-за множественного характера проявления показателя количественного признака у растений в науке утвердилось убеждение о том, что количественные признаки, как правило, обусловлены полимерными генами, что прочно вошло в учебники для ВУЗов и последние издания по генетике [Жимулев, 2002; Жученко, 2003; Пухальский, 2007].

В результате более чем 30-летних генетических исследований мы обнаружили, что большинство из изученных нами количественных признаков наследуется по моногибридному типу. Это вполне соответствует генетическому строению генома томата, уже упомянутому нами ранее.

Моногибридное наследование количественных признаков удалось выявить только благодаря разработанному методу генетического анализа, названному нами «методом частотного адаптированного сопряженного анализа расщеплений F2-B1 по данным частотного распределения Р1-Р2^1-контролей», или сокращенно ЧАСАР Он позволяет разделить расщепление на группы, аналогичные по варьированиям (Р1 или Р2) и остальные растения у гибридов F2 и, соответственно, Р1(2) и другие растения в беккроссе. Число растений в группах подсчитывается и затем проверяется гипотеза соответствия фактического расщепления групп растений теоретическому моноги-бридному расщеплению Р1: (Р2+F1) или Р2: (Р^1) у гибридов F2 и Р1(2)^1 в бек-кроссе. При необходимости при подсчете числа растений в расщепляющихся группах проводится их корректировка, связанная с перекрытием варьирований признаков родительских форм и гибрида F1.

У томата и огурца было проанализировано 15 признаков. Гипотеза моногибридного наследования подтверждена по 12 количественным признакам, изученным в 21 расщеплении в F2 и 12 в В1, т. е. в 33 расщеплениях. По моногибрид-ному типу наследовались количественные мерные варьирующие признаки: длина главного стебля, длина плода, индекс формы плода, индекс формы семядольного листа, прочность прикрепления плода к плодоножке, усилие отрыва плода от стебля; прерывисто-варьирующие признаки: число междоузлий, количество боковых побегов; устойчивость к экстремальным факторам среды: устойчивость к вершинной гнили (к комплексу факторов — засолению, жаре, засухе), устойчивость к растрескиванию плодов томата (к перепадам влажности почвы, воздуха и температуры); устойчивость к болезням при искусственном инфицировании: к альтернариозу и к заразихе

египетской. В изученных случаях у моно-гибридно наследуемых количественных признаков в F1 были отмечены неполно рецессивный, промежуточный, неполно и полно доминантный типы наследования, а также проявление гетерозиса.

Разработанный метод моногибридного генетического анализа количественных признаков восполняет недостающее звено в общей генетике, и в генетике растений в частности, дополняя менделевский метод генетического анализа качественных признаков. Метод предполагает использование в скрещиваниях в качестве родительских форм только гомозиготных растений, имеющих разные отличающиеся проявления простых количественных признаков, т. е. их параметры (амплитуды варьирования). Метод довольно сложен, но доступен к быстрому усвоению, т. к. подробно разработан с пошаговой его последовательностью и подробно изложен в наших публикациях [Авдеев.2003, 2004; Авдеев и др., 2008]. По нашему мнению, дальнейшее развитие генетики и моногенетической селекции растений в XXI веке в связи с разработкой вышеупомянутого метода генетического анализа имеет большие перспективы, т. к. огромное количество варьирующих признаков почти 100 лет по-прежнему остается вне границ исследований генетиков.

Моногенетическая селекция, как было показано, по существу относится к нанотехнологиям. Генная инженерия, относящаяся к нанотехнологии, по сути является вариантом моногенетической селекции. Один и тот же процесс манипуляции с переносом одного хозяйственно-ценного гена в улучшаемый генотип осуществляется разными методами. Достижение положительного результата в обоих случаях требует не менее 3-4 поколений выращивания растений.

Несмотря на некоторые положительные стороны генной инженерии - перенесение гена с сохранением исходного генотипа, возможность с манипуляцией генов систематически удаленных организмов, следует отметить, что накопленный потенциал моногенетических доноров для селекции сортов растений, например, томата, в десятки раз превосходит разработанный хозяйственно-ценный потенциал генной инженерии.

Моногенетическая селекция на основе моногенных доноров имеет свои плюсы в том, что за одно скрещивание создаваемый генотип сорта может быть улучшен по многим признакам. При улучшении генотипа не применяются плазмиды и вирусы, являющиеся внутригеномными мутаторами, а в выведенном сорте отсутствуют бактериальные белки, способные вызвать у людей аллергию.

Совершенствование методов моноге-нетической селекции и генной инженерии растений и взаимодействие селекционеров разных направлений исследований приведет к ускорению процесса создания сортов и гибридов более высокого уровня продуктивности и качества.

Литература

1.Авдеев Ю. И. Исследование и практическое использование устойчивости томата к видам заразиховых семейства ОгоЬапсЬіасеае. Астрахань, 1998.

2. Авдеев Ю. И. Генетический анализ количественных признаков растений. Астрахань, 2003.

3. Авдеев Ю. И. Генетический анализ растений. Астрахань, 2004.

4. Авдеев Ю. И., Иванова Л. М., Авдеев А. Ю., Кигашпаева О. П. Методика моногибридного генетического анализа количественных признаков растений. Астрахань, 2008. 29 с.

5. Авдеев Ю. И., Коринец В. В. Научные разработки по использованию нанотехнологий в АПК. МСХ РФ и ФГНУ «Росинформагротех».

Овощеводство и садоводство

М., 2004. С. 40-42.

6. Жимулев И. Ф. Общая и молекулярная генетика. Новосибирск : Изд-во Новосибирского ун-та, 2002.

7. Жученко А. А. Генетика томатов. Кишинев, 1973.

8. Генетика / под ред. А. А. Жученко. М., 2003.

9. Мухортова Т. В., Кудряшова Н. И. Агроэкологическое сортоизучение коллекции ВНИИОБ при капельном орошении // Теоретические и прикладные проблемы агропромышленного комплекса. 2009. № 1. С. 45-48.

10. Пухальский В. А. Введение в генетику. М., 2007.

11. Серебровский А. С. Генетический анализ. М. : Изд-во Моск. ун-та, 1991.

12. Bernatzky R. and Tanskley S. Majority of random cDNA clone correspond to single loci in the tomato genome. Mol. and Genet. 1986. № 203. P. 8-14.

13. Tanskley S. D. Organization of the nuclear genome in tomato and related diploid species. // American Naturalist. 1987. July. Vol. 130. P. 46-56.

ВЛИЯНИЕ ВОЗРОСТА РАСТЕНИЯ

на продуктивность крупноплодной

малины СОРТА КРАСА РОССИИ

в предуралье

Ю. В. БАБИНЦЕВА, аспирант,

Л. А. ЕЖОВ, кандидат сельскохозяйственных наук, профессор, Пермская ГСХА

614000, г. Пермь, ул. Петропавловская, д. 23

Ключевые слава: крупноплодная малина, плодоношение, стебель, латерал, ягода, урожай. Keywords: Large-fruited raspberries, fruits, stems, fruit shoot, berry, harvest.

В настоящее время малина занимает второе место в России по объему производства среди ягодных культур. По данным И. М. Куликова (2009), она выращивается на общей площади 34 тыс. га, объем производства составляет 175 тыс. т, при средней урожайности 5,2 т/га. Выращивание ее связано с высокими затратами ручного труда, вследствие чего малина сохранилось в основном в любительском садоводстве [1].

В Пермском крае ягодные культуры занимают 4004 га, или 64,3 % от площади всех многолетних насаждений, в том числе малины - 17,5 %, или 710 га, из них 89,4 % находится у населения [2].

В последнее десятилетие в Пермском крае получают все более широкое распространение крупноплодные сорта селекции профессора В. В. Кичины. Преимущество данной группы сортов в том, что они способны давать урожай, превышающий старые, давно культивируемые сорта в пять и более раз. Средняя масса ягоды крупноплодных сортов 4-12 г, они образуют латералы до 4-5 порядков ветвления [3].

Следует отметить, что многие садоводы-любители, возделывая крупноплодные сорта в Пермском крае на протяжении 5-8 лет, допускают ошибки, не позволяющие в полной мере реализовать их биологический потенциал. Необходимо учесть, что выращиваемые здесь крупноплодные малины были получены в условиях Московской области, отличающейся более мягким климатом по сравнению с Пермским краем. При этом опытов по изучению особенностей роста, плодоношения, агротехники данной группы сортов в условиях Предуралья не проводилось.

Цель исследования — изучить влияние возраста растений на морфологические особенности и урожайность крупноплодной малины сорта Краса России.

Исследования проводили в 2009-2010гг.

на территории садового участка, расположенного в Пермском районе Пермского края. Среднегодовая температура в Пермском районе по среднемноголетним данным составляет 1.1°С, сумма активных температур выше 5° — 2133°С, свыше 10° — 1800° С. В традиционно садоводческой Московской области данные показатели следующие: сумма температур свыше 5° — 2200-2300°С, свыше 10° — 1900-2100°С. Среднее количество осадков 454-610 мм в год [4].

Изучали плодоносящие растения крупноплодной малины сорта Краса России с первого по пятый год плодоношения. В 2005-2009 гг. посадку проводили 28 июня. При посадке вносили 10 л (одно ведро) перепревшего навоза, 20 л (два ведра) торфа, 10 л (одно ведро) опила, 100 г/м2 простого суперфосфата и 60 г/м2 хлористого калия. Схема посадки 2 х 0,7 м. Способ ведения культуры коловой (кустовой). В течение лета проводили 4-8 поливов, 3-4 прополки и рыхление на глубину 3-5 см. 1, 9 и 30 мая 2010 г. проводили подкормку сернокислым аммонием из расчета 30 г на 10 л воды, с последующим поливом из расчета 20-30 л/м2.

Количество изучаемых растений — до 5 шт. Учеты и наблюдения проводили по каждому растению согласно Программе методики сортоизучения плодовых, ягодных и орехоплодных культур (1999) [5].

В ходе исследований проводили следующие наблюдения: длина двухлетних стеблей, длина побегов замещения, про-будимость почек, количество и длина латералов, количества листьев и ягод, средняя масса ягод по сборам. Определяли биологическую продуктивность латералов, плодоносящих стеблей, кустов малины.

Высота стеблей сорта Краса России достигала 190-245 см (3-е плодоношение), количество узлов на побеге- 42-46 шт. Число латералов на одном

двухлетнем стебле в 2009 г. было 14-20 шт., в 2010 г. - 22-26 шт. Длина латералов в 2009г. составляла от 4 до 63 см, в 2010 г. - от 6 до 120 см. Количество цветков на одном лате-рале было 22-24 шт., но чаще — 10-15 шт., сформировавшихся ягод — 6-13 шт. Масса одной ягоды достигала 12-13 г, средняя масса ягоды по сборам была в 2009 г. 6,6 г, в 2010 г. — 4,8г (сказалось влияние засухи).

Следует отметить, что масса ягоды малины зависит, прежде всего, от наследственности сорта, условий увлажнения почвы и относительной влажности воздуха. Большинство ученых и практиков считают, что высокий урожай в засушливых условиях юга России не получают прежде всего из-за низкой относительной влажности воздуха. Заметим, что летом 2010 г. относительная влажность воздуха в Пермском крае снижалась до 17-20 %. Это и явилось основным фактором снижения средней массы ягоды малины. Глазомерная оценка средней массы ягод на рынке Перми составляла: лесной малины 0,5 г и садовой 1-3,5 г.

Средняя масса ягоды в 2009 г. была в пределах от 6,0 до 7,2 г и в 2010 г. от 4,4 до 5,3 г. Биологический урожай в 2009 г. достигал 9,5 кг и в 2010 г. 10,5 кг с куста. Фактический (реально собранный) урожай колебался от 1,1 до 6,2 кг с куста в 2009 г. и от 4,8 до 7,7 кг в 2010 г. В характеристике по данному сорту указано получение урожая по 4-5 кг с куста.

С увеличением возраста растения урожайность возрастает. Самая высокая урожайность была получена с растений пятого года плодоношения. Она составила 54,9 т/га при урожае 7,7 кг с куста.

Продуктивность куста малины складывается из количества стеблей, латералов, числа ягод и средней массы ягоды. Данные учетов влияние возраста куста малины на отдельные компоненты продуктивности приведены в таблице 1.