Повышение устойчивости ячменя к стрессовым биотическим и абиотическим факторам в Сибири (генетико-биотехнологические аспекты) (02.11.2009)

Автор: Зобова Наталья Васильевна

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, выводов и практических рекомендаций. Работа изложена на 298 страницах машинописного текста, содержит 93 таблицы, 75 рисунков и 11 приложений, включающих 50 таблиц, 11 рисунков. Список литературы включает 750 наименований, в том числе 163 на иностранном языке.

Личный вклад автора. Формулировка идеи, планирование и координация экспериментов, получение и обработка первичных материалов, теоретический и статистико-математический анализ результатов, а также написание работы выполнены автором лично.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность доктору сельскохозяйственных наук, академику Россельхозакадемии Сурину Н.А., д.б.н., профессору Громовых Т.И., доцентам: к.с.-х.н., Шевцовой Л.Н., к.б.н. Конышевой Е.Н., к.б.н. Поздняковой О.В., защитившим кандидатские диссертации под его руководством; доценту к.б.н. Сорокатой Е.И., к.с.-х.н. Заболоцкому Е.В. и сотрудникам Красноярского НИИСХ Луговцовой С.Ю., Онуфриенок Т.В., Чуслину А.А., Ступко В.Ю.

Глава 1

ЭКОЛОГО-ГЕНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ АДАПТИВНОЙ СЕЛЕКЦИИ

Рассмотрена проблема адаптации в системе растение-среда, в основе которой лежит модификационная и генотипическая изменчивость растений. Решение этой проблемы связано с применением новых технологий, обеспечивающих экологическую безопасность и эффективную реализацию биоклиматического потенциала растений. Среди таких современных направлений приоритетное место занимают биотехнологические методы и электрофоретические исследования полиморфных белковых систем культуры ячменя. В связи с этим приведены характеристики биологических особенностей и хозяйственного значения, достижений и задач селекции ярового ячменя в Сибири.

Глава 2

ОБЪЕКТЫ, МЕТОДЫ И УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТОВ

2.1 Природно-климатическая характеристика районов исследования. Погодные условия в месте проведения опытов в период закладки большей части полевых исследований (1996-2008 гг.) были различны по годам, их полная характеристика приводится в тексте диссертации. Из 27-летнего периода полевых опытов, 16 лет были засушливыми и умеренно засушливыми, 6 – умеренно и недостаточно влажными годами, то есть основное время растения испытывали недостаток влаги.

Полевые исследования проведены в селекционном севообороте ОПХ «Минино» (Емельяновский район), на стационаре «Зареченский» (Тюхтетский район) Красноярского НИИСХ и в АО «Лазурное» (Козульский район) Красноярского края, а также на опытном участке Северо-Кулундинской СХОС Новосибирской области. Почвы ОПХ «Минино» представлены обыкновенными черноземами, мощными, среднегумусными, тяжелосуглинистыми по механическому составу. Реакция почвенного раствора близка к нейтральной (рН 7,5). На стационаре «Зареченский» почва опытного участка дерново-подзолистая. Содержание подвижного алюминия в кислых почвах Тюхтетского и Козульского районов низкое, рН почвенного раствора 4,4. Почва опытного участка Северо-Кулундинской СХОС – среднестолбчатые солонцы, полугидроморфные. Гранулометрический состав – среднесуглинистый. Реакция почвенного раствора близка к нейтральной – рН 7,3. Степень засоления – средняя, тип – сульфатно-хлоридный.

2.2. Объект исследования. Объектом исследования служили стародавние (58 форм) и современные (60) сорта ярового ячменя, их отдельные биотипы (20); образцы перспективных, забракованных и адаптивных линий селекционных питомников ярового ячменя (267); образцы ЭСИ и опорного пункта ВИР (155); регенеранты (47), полученные на селективных средах и размноженные в полевых условиях; образцы семеноводческих питомников; гибридные комбинации (470) и их потомки (более 7000), включенные в базу данных. Для сравнения параметров продуктивности использовали стандартные сорта: Красноярский 80 (Центральная лесостепь); солевыносливый сорт из Эквадора (С-15) и кислотоустойчивый сорт Джюгай.

2.3. Методы исследования. Электрофорез гордеинов проводили по методике А.А. Созинова и Ф.А. Попереля (1978) с модификациями. Электрофоретические спектры гордеинов идентифицировали по каталогу А.А. Поморцева (1985). В работе использовали методы и условия культивирования тканей in vitro по Р.Г. Бутенко [1989]. Эксплантами для индукции каллуса служили зародыши ячменя, питательную среду готовили по прописи Мурасиге-Скуга (Зобова, Конышева, 2007). Возбудителей корневых гнилей выделяли и идентифицировали по методикам Т. Ватанабе (1994) и Р.Е. Нельсона (1983). Метаболиты гнилей получали методом Дудка и др., (1982). Для лабораторной оценки кислото- и солеустойчивости исследуемых генотипов ярового ячменя использовали рулонный метод оценки проростков (Удовенко и др., 1976; Методические указания.., 1995). Оценку устойчивости к возбудителям корневых гнилей линий ячменя проводили методом листовой диагностики (Дудка и др., 1982). Белок в зерне, экстрактивность зерна ячменя определяли в лаборатории технологической оценки зерна Красноярского НИИСХ (Разумовский, Плеханова, 2005). Оценку полегания ярового ячменя в полевых условиях проводили на провокационном азотном и естественном фонах. Оценку образцов по устойчивости к пыльной головне проводили на искусственных инфекционных фонах, созданных вакуумным методом (Кривченко, 1960), в лаборатории иммунитета растений Красноярского НИИСХ. Уровень поражения корневой гнилью определяли визуально (Методические указания …, 1981).Полевые и лабораторные браковки и отборы образцов селекционных и семеноводческих питомников проводили селекционеры и семеноводы Красноярского НИИСХ стандартными методами. Статистическую обработку полученных результатов проводили с помощью кластерного, дисперсионного, корреляционного, факторного анализа (Плохинский, 1980, 1998; Лакин, 1980; Доспехов, 1979) при помощи пакетов Microsoft Excel 97 и Statistiсa 5.0 для Windows, Snedеcor (Сорокин, 2004). Достоверность различий оценивали по критерию Стьюдента (Лакин, 1980). Общая схема исследований представлена на рисунке 1.

Рис. 1 – Общая схема исследования

Глава 3

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОТЕХНОЛОГИИ В ПОВЫШЕНИИ ТОЛЕРАНТНОСТИ РАСТЕНИЙ К СТРЕССОВЫМ ФАКТОРАМ

Адаптация отражает все многообразие отношений растений и фитоценоза с окружающей средой. Критерием оценки экологической валентности растений является их устойчивость к неблагоприятным условиям – засухе, заморозкам, болезням, кислым и засоленным почвам и другим факторам. Снижения вредоносности засоленных и кислых почв для сельскохозяйственных культур можно добиться изменением свойств самих почв агрохимическими приемами и адаптацией к ним растений. Агрохимические пути преодоления почвенной кислотности не всегда эффективны и экологически оправданы.

3.1. Подбор условий и уровня селективных агентов для оценки и создания соле- и кислотоустойчивых форм ячменя в культуре in vitro. Культура изолированных тканей и клеток позволяет, включая стадию каллусных тканей, получать дедифференцированные клеточные популяции, отличающиеся большой генетической, физиологической и цитологической изменчивостью. Отбор из этих популяций на селективных средах клеточных линий, толерантных к стрессовым факторам, с последующей регенерацией из них растений способствует образованию сомаклональных вариантов с признаками, измененными в желаемую сторону. В работе подобраны необходимые параметры для создания регенерантов ячменя на селективных средах.

Уровень селектирующих агентов в среде, определяли на основе пределов устойчивости культурных растений к действию соответствующих факторов. Солеустойчивость растений лежит в пределах осмотического давления 0,3-1,8 мПа (Елисеева, 1987), что соответствует концентрации NaCl в среде произрастания 0,42-2,52%. При концентрации NaCl: 0,42% – растения и каллусные культуры начинают ощущать действие стрессового фактора, 1,68% – наблюдается сильное угнетение роста, не приводящее к полной гибели растений, 2,52% – не совместимо с жизнью. Низкий уровень регенерации растений при концентрации соли 1,68% не позволил использовать ее для отбора солеустойчивых форм, поэтому применяли концентрацию NaCl – 0,42%, при которой значимый стресс сочетался с хорошей пролиферацией каллуса и образованием регенерантов.

Поскольку токсичными для большинства растений оказываются ионы водорода при pH 3,0 (Блэк, 1973), а стандартная питательная среда имеет рН 5,8, то этот интервал рН проверяли на этапах пролиферации каллусов и регенерации растений. В дальнейших опытах использован двукратный отбор на указанных этапах при рН в соответствующих средах не более 4,0, когда стрессовость условий сочетается с сохранением образования регенерантов в селективных условиях.

Установлена зависимость процессов, протекающих в культуре изолированных тканей, от условий выращивания донорного растения (полевые и светокультура) и возраста вводимого в культуру экспланта (зрелые и незрелые зародыши), условий освещенности при культивировании каллусов. У молодых зародышей, взятых от растений, выращенных в светокультуре, пролиферация каллуса, процессы морфогенеза и регенерации растений протекает интенсивнее, чем в других случаях (Зобова, Конышева, 2007). Наблюдается пролонгированное действие условий освещенности на этапе индукции каллуса. На средах практически отсутствует морфогенез у каллусов, индуцированных в темноте, в отличие от каллусов, индуцированных на свету (Зобова, Луговцова, 2008). В технологии создания стрессоустойчивых регенерантов ячменя использованы незрелые зародыши, преимущественное выращивание донорных растений в условиях светокультуры и культивирование каллусов на свету.

3.2. Сравнение устойчивости к стрессовым эдафическим факторам сортов и линий ярового ячменя разного происхождения в культуре in vitro. Процессы, протекающие в культуре каллусных тканей, сильно зависят от генотипа введенного в культуру растения, что следует из оценки нескольких группы генотипов (табл. 1). Самой высокой эффективностью регенерации, в расчете на введенный эксплант, обладали селекционные линии пивоваренного направления, которые отличаются от других форм повышенной урожайностью. Следующее место заняли сорта местной селекции. Уровень их показателя регенерации минимум в два раза превышал все остальные группы образцов. Образцы, отобранные по солеустойчивости, занимали среднее положение. Уровень регенерационных процессов in vitro, по нашему мнению, положительно коррелирует с устойчивость растений к экстремальным факторам в естественных условиях, поскольку механизмы, обеспечивающие ее и саму возможность культивирования изолированных тканей, в значительной степени определяются потенциалом вегетативного размножения растений.

Таблица 1 – Эффективность получения регенерантов ячменя на селективных средах в культуре изолированных зародышей, 2000-2002 гг.

Группы образцов Кол-во образ-цов, шт Кол-во эксплан-тов, шт Регенеранты, полученные на разных средах, шт. Образцы, выделившиеся по формированию регенерантов

Контроль NaCl-0,42% рН-4,0 ?

Сорта местной селекции 4 370 9 12 12 33

8,9% Красноярский 80, Кедр

Сорта инорайонной селекции 11 750 3 12 13 28

3,7% Ача, Адонис, Русь, Новосибирский 80

Образцы, дифференцированные по солеустойчивости 10 1232 18 13 27 58

4,7% Pirkka, Ранний 1,

К-14220

Адаптивные линии КНИИСХ 17 1355 22 22 18 62

4,6% У-20-706, Д-51-6081, Е-19-6415, Е-18-6393, Д-28-5980

Линии пивоваренного направления 16 1130 44 31 60 135

11,9% Е-30-6534, 2553h5,

Г-84-5651, Д-89-6211

Родительские формы регенерантов 6 653 7 9 10 26

4,0% Кедр, Т-136-368

Линии регенерантов 11 1092 5 6 10 21

1,9% КР.3.2.-Кедр,


загрузка...