Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Оценка исходного материала фасоли обыкновенной (Phaseolus vulgaris L.) для создания высокоэффективных растительно-микробных систем

ВАК РФ 06.01.05, Селекция и семеноводство

Автореферат диссертации по теме "Оценка исходного материала фасоли обыкновенной (Phaseolus vulgaris L.) для создания высокоэффективных растительно-микробных систем"

На правах рукописи

Барбашов Jl&Q^f-

Максим Вячеславович

ОЦЕНКА ИСХОДНОГО МАТЕРИАЛА ФАСОЛИ ОБЫКНОВЕННОЙ (Phaseolus vulgaris L.) ДЛЯ СОЗДАНИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ РАСТИТЕЛЬНО - МИКРОБНЫХ СИСТЕМ

Специальность: 06.01.05. - селекция и семеноводство сельскохозяйственных

растений

1 MAP Z0i2

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Орел-2012

005015692

Работа выполнена в 2009 - 2011 гг. в лаборатории генетики и биотехнологии ГНУ ВНИИ зернобобовых и крупяных культур Россельхозакадемии

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор сельскохозяйственных наук Наумкина Татьяна Сергеевна

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Колесникова Аделина Фроловна

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Бобкова Юлия Анатольевна

ГНУ ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии Россельхозакадемии

Защита диссертации состоится 20 марта 2012 года в 1430 часов на заседании диссертационного Совета ДМ 220. 052.01 в Орловском государственном аграрном университете по адресу: 302019, г. Орел, ул. Генерала Родина, 69.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки Орловского государственного аграрного университета (г. Орел, бульвар Победы, 19).

Просим принять участие в работе Совета или выслать свой отзыв на автореферат диссертации в 2-х экземплярах, заверенных гербовой печатью по адресу: 302019, г. Орел, ул. Генерала Родина, 69, ученому секретарю диссертационного совета ДМ 220.052.01.

Факс 8(4862) 43-13-01; E-mail: dissovet-orelsau@yandex.ru

Автореферат разослан « » 2012 г. и размещен на

официальном сайте ФГБОУ ВПО «Ор^овск^й государственный аграрный университет» http://www.orelsau.ru и сайте ВАК при Минобрнауки РФ http://vak.ed.gov.ru.

Ученый секретарь

диссертационного совета, . . ч , доктор с.-х. наук, профессор С-—V Р^г1- ~ Л.П. Степанова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Способность бобовых растений, в частности фасоли, формировать симбиозы с агрономически полезными микроорганизмами позволяет им существенно обогащать почву азотом, улучшать водный статус растений, снабжать необходимыми элементами минерального питания (труднодоступным фосфором и азотом), повышать устойчивость к болезням (Борисов с со-авт., 2011).

Выявление общих генов, необходимых для формирования этих симбиозов, привело к заключению, что бобовые обладают единой генетической системой, контролирующей развитие многостороннего симбиоза: бобовое растение + грибы арбускулярной микоризы + полезные ризосферные/клубеньковые бактерии. Этот факт очень важен для дальнейшего развития симбиотической селекции, открывает возможности расширения адаптивных свойств растений, придания им новых метаболических функций и позволяет получать повышенные урожаи экологически чистого высокобелкового растительного сырья (Наумкина с соавт., 2011).

В связи с вышеизложенным, исследования по изучению исходного материала фасоли обыкновенной (Phaseolus vulgaris L.) и использованию его для создания высокоэффективных растительно-микробных систем относятся к приоритетным в науке и являются особенно актуальными.

Решению этих вопросов посвящена диссертационная работа, выполненная в рамках заданий 08.03.02. «Изучить генетический механизм взаимодействия растения-хозяина при симбиотических взаимоотношениях у гороха» и 02.06.02. «Создать растительно-микробные системы на основе изучения на уровне на-нопространства и сигналинга генетической интеграции агрономически полезных микроорганизмов и растений» Программ фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006...2010 гг. и 2011-2015 гг. Российской академии сельскохозяйственных наук, гранта РФФИ 09-04-99036-р_офи.

Цель исследований - выявление морфобиологических и симбиотических особенностей коллекционных сортообразцов фасоли и выделение исходного материала с высоким симбиотическим потенциалом для создания высокоэффективных растительно-микробных систем.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- изучить изменчивость и взаимосвязи морфобиологических признаков и симбиотических показателей у коллекционных сортообразцов фасоли в естественных условиях и при взаимодействии с ризобиями и грибами арбускулярной микоризы.

- оценить адаптивную способность и стабильность генотипов фасоли в изменяющихся условиях среды;

- изучить биохимические особенности сортообразцов фасоли;

- выделить линии фасоли, сочетающие высокую семенную продуктивность с повышенной симбиотической активностью.

Научная новизна исследований. Впервые в условиях северной части Центрально-Черноземного региона России изучена изменчивость основных морфобиологических признаков и симбиотических показателей сортообразцов фасоли различного эколого-географического происхождения; выделены источники высокой продуктивности и симбиотической активности. Получены новые данные о клубенькообразующей способности и симбиотической деятельности фасоли при инокуляции ризобиями и грибами арбускулярной микоризы. Проведена оценка экологической пластичности, стабильности и адаптивной ценности сортообразцов. Выявлены биохимические особенности генотипов фасоли. Сформированы эффективные сорто-микробные системы. Выявлен селекционный материал с высокой урожайностью и симбиотической активностью.

Практическая значимость. Выделен ценный исходный материал для селекции фасоли на повышение симбиотической активности. Предложен новый подход для создания высокоэффективных растительно-микробных систем, сочетающих высокую семенную продуктивность с отзывчивостью на инокуляцию штаммами ризобий и грибов арбускулярной микоризы. Выделены линии фасоли, обладающие повышенной семенной продуктивностью в сочетании с отзывчивостью на тройной симбиоз.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты изучения изменчивости и взаимосвязей морфобиологических признаков и симбиотических показателей у сортообразцов фасоли, позволившие выявить формы, ценные для создания высокоэффективных растительно-микробных систем.

2. Оценка адаптивной способности и стабильности генотипов в изменяющихся условиях среды для выделения форм с высокой продуктивностью и симбиотической активностью.

3. Результаты изучения биохимических особенностей генотипов фасоли.

4. Созданные автором новые линии фасоли, сочетающие повышенную семенную продуктивность и симбиотическую эффективность.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на Ученых советах ГНУ ВНИИЗБК Россельхозакадемии (2009, 2010, 2011 гг.); региональных научно-практических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов «Неделя науки» ОрелГАУ (2009, 2010, 2011 гг.); Всероссийской научно-практической конференции «Аграрная наука - сельскому хозяйству» (Курск, 2009); Всероссийской конференции «Ориентированные фундаментальные исследования и их реализация в АПК России» (Сергиев Посад, 2009)

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 6 печатных работах, в том числе двух в изданиях, рекомендуемых ВАК.

Личное участие автора в проведении экспериментов составляет 100%. Закладка полевых, вегетационных и лабораторных опытов, анализ и обобщение результатов исследований были проведены автором лично.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 135 страницах компьютерного текста, состоит из введения, глав, выводов, рекомендаций для селекционной практики и производства, включает 32 таблицы, 13 рисунков и 15 приложений. Список использованной литературы состоит из 200

наименований, в том числе 41 на иностранных языках.

Автор выражает искреннюю благодарность директору ГНУ ВНИИЗБК Россельхозакадемии, доктору сельскохозяйственных наук, профессору Зотико-ву В.И., заведующей лабораторией генетики и биотехнологии, кандидату сельскохозяйственных наук Суворовой Г.Н., заведующему лабораторией селекции зернобобовых культур, кандидату сельскохозяйственных наук Кондыкову И.В., ведущему научному сотруднику лаборатории селекции зернобобовых культур, кандидату сельскохозяйственных наук Мирошниковой М.П. за консультации по обсуждаемым в данной работе вопросам.

Автор признателен кандидатам биологических наук, ведущим научным сотрудникам лаборатории генетики и биотехнологии ВНИИЗБК Васильчикову А.Г и Гурьеву Г.П. за сотрудничество и помощь в проведении исследований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ БОБОВЫХ РАСТЕНИЙ С СИМБИОТИЧЕСКИМИ МИКРООРГАНИЗМАМИ (обзор литературы)

Обобщены литературные данные, касающиеся особенностей взаимодействия бобовых растений с агрономически полезными микроорганизамами. Результаты исследований, выполненных отечественными и зарубежными учёными, позволили существенно углубить понимание процесса взаимодействия макро- и микросимбионтов и сделать ряд практических рекомендаций для повышения его эффективности. В литературных источниках слабо представлены результаты оценки изменчивости морфобиологических и основных хозяйственно полезных признаков и симбиотических показателей сортов при взаимодействии бобовых растений с грибами арбускулярной микоризы. Показано, что возможность создания эффективных растительно-микробных систем у бобовых недостаточно изучена и сделано заключение о необходимости проведения исследований, направленных на получение нового исходного материала, сочетающего повышенную урожайность, содержание белка с высоким симбиотиче-ским потенциалом.

УСЛОВИЯ, МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Работа выполнялась в течение 2009 - 2011гг. на опытном участке лаборатории генетики и биотехнологии Государственного научного учреждения Всероссийского научно-исследовательского института зернобобовых и крупяных культур Россельхозакадемии.

Почвы опытного участка темно-серые лесные, средней окультуренности (содержание гумуса 3,93%, подвижного фосфора - 12,5, обменного калия - 5,9 мг/100 г почвы, рНсол - 5,5, гидролитическая кислотность - 4,4 мг экв./100 г почвы).

Метеорологические условия в годы исследований можно охарактеризовать как контрастные, но в целом они повторяют среднемноголетние климатические

закономерности. Поэтому полученные в исследованиях данные позволили достаточно достоверно и объективно оценить особенности изученного материала.

Материалом для исследований служили 20 сортообразцов фасоли, в том числе 10 из коллекции ГНУ ВНИИЗБК- Гелиада, Шоколадница, Рубин, Оран, София, л.00-106, л.04-178, л.02-174, л.05-85, л.00-572; и 10 из коллекции ВИР -к-15348 (Шубинская, Алтайский край), к-15233 (Мечта хозяйки, Краснодарский край), к-15552 (Станичная, Краснодарский край), к-15444 (Glen lyon, Австралия), к- 15401 (Aura, Польша), к-15459 (Kanamito, Польша), к-15496 (Zitekid, Канада), к-15469 (Samarinska, Чехия), к-15470 (Pricor, Чехия), к-15379 (Tondina, Германия). В качестве контроля использовался районированный в Орловской области сорт Рубин. Изучение отзывчивости фасоли на инокуляцию ризобиями и грибами арбускулярной микоризы проводили на 7 сортообразцах: Aura, Glen lyon, Kanamito, Услада, Рубин, Шоколадница, Гелиада.

Для предпосевной обработки семян использовали ризоторфин (штамм 653). В почву перед посевом вносили почвенно-корневую смесь из-под микори-зованной суданской травы (Sorgum sudanense Pers.) из расчета 15 г под каждое семя и комплексное микробиологическое удобрение (КМУ) (500 кг/га), содержащее высокоэффективные штаммы и изоляты грибов арбускулярной микоризы (Glomus intraradices, Glomus fasciculatum) и клубеньковых бактерий. Биопрепарат изготовлен по технологии, разработанной ООО «Бисолби-Интер» (патент №2318784).

Опытный материал выращивался на делянках площадью Зм2 в четырехкратной повторности по следующей схеме: 1 - контроль; 2 - предпосевная инокуляция семян штаммом клубеньковых бактерий № 653; 3 - предпосевное внесение в почву почвенно-корневой смеси из-под микоризованной суданской травы; 4 - предпосевное внесение в почву КМУ.

Обработка почвы на опытном участке соответствовала общепринятой при возделывании фасоли. Посев проводили вручную с площадью питания одного растения 10x45 см. Уход за посевами заключался в двукратных рыхлениях-прополках, что обеспечивало достаточную чистоту посевов и нормальные условия для роста и развития растений. Химические средства защиты растений не применялись.

Учеты, наблюдения и структурный анализ сортов проводились по Методике государственного сортоиспытания сельскохозяйственных культур (1971, 1972) и Методическим рекомендациям ВИР (2010).

Нитрогеназную активность определяли методом редукции ацетилена (Чундерова, 1980) в модификации В.П. Орлова (1984) и A.C. Шаина (1990). При отборе проб для учета числа клубеньков на корнях растений использовали метод монолитов (Посыпанов, 1991). Оценку микоризной инфекции проводили по A.Trouvelot, J.Kough (1986). Использовали следующие параметры: интенсивность развития микоризной инфекции, пересчитанная на 1 см корня (М,%) и обилие арбускул в микоризованной части корня (а,%).

Содержание белка в зерне определяли методом Къельдаля с использованием автоматической системы UDK-152 и дигестора DK-6 производства фир-

мы VELP SCIENTIFICA. Аминокислотный анализ выполняли на автоматическом аминокислотном анализаторе Hitachi 835.

Оценку адаптивной способности и стабильности генотипов в изменяющихся условиях среды выполняли в соответствии с методом, предложенным А.В. Кильчевским и Л.В. Хотылевой (2008).

В зимне-весенний период опыты закладывали в теплице (интенсивность освещения 25...30 тыс. люкс, световой период 18/6 ч (день/ночь), температура днем и ночью составляла 22°С и 18°С. В теплице фасоль выращивалась в сосудах Митчерлиха массой 4,2 кг по 5 растений на сосуд. Гибридизацию проводили посредством предварительной кастрации и последующего принудительного опыления цветков.

Отбор высокопродуктивных растений, отзывчивых на инокуляцию штаммами ризобий и грибов арбускулярной микоризы проводили из гибридных популяций F2-F4 на основе таких показателей, как масса сухого растения, масса семян с растения, число клубеньков на растении и нитрогеназная активность и на основании глазомерной оценки в полевых условиях.

Математическую обработку данных проводили методами корреляционного, дисперсионного и вариационного анализов по Б.А. Доспехову (1985), П.Ф. Рокицкому (1974), факторного и кластерного анализов с использованием компьютерных программ STAT1STICA 6.0 и Microsoft Office Exel.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

ОЦЕНКА КОЛЛЕКЦИОННЫХ СОРТООБРАЗЦОВ ФАСОЛИ ПО МОРФОБИОЛОГИЧЕСКИМ ПРИЗНАКАМ И СИМБИОТИЧЕСКИМ

ПОКАЗАТЕЛЯМ Морфобиологнческие и симбиотические особенности коллекционных

сортообразцов фасоли Продолжительность вегетационного периода и составляющих его фаз. Исследованиями установлено, что основная часть изученного материала (65%) относится к среднеспелым образцам, группа среднеранних составляет 30%, позднеспелых - 5% (табл.1).

Таблица 1 - Продолжительность вегетационного периода и составляющих его фаз у сортообразцов фасоли, 2009 -2011 гг.

Группа спелости Сортообразец Продолжительность, сутки

посев-всходы всходы-цветение цветение-созревание всходы-созревание

среднерашше Гелиада, Шоколадница, Рубин, Оран, Услада, л.00-572 14-16 33-34 34-36 71-80

среднеспелые л.00-106, л.05-85, л.02-174, Шубинская, Мечта хозяйки, Станичная, Glen lyon, Aura, Kanamito, Zitekid, Samarinska, Pricor, Tondina 14-16 35-37 37-40 81-90

позднеспелые София 14-16 38-42 40-43 >90

Общая продолжительность вегетационного периода у сортообразцов фасоли увеличивалась при понижении температуры воздуха и выпадении обильных осадков (2009 год) и сокращалась в засушливые годы (2010, 2011 годы). В аномально жарком 2010 году продолжительность вегетационного периода у среднеспелых образцов сократилась в среднем на 5-10 суток, а у позднеспелого образца - на 7-12 суток.

Длина стебля в современной селекции фасоли является одним из важнейших признаков, поскольку связана с устойчивостью к полеганию и пригодностью к механизированной уборке и таким образом косвенно влияет на урожай.

Среди изученных сортообразцов наиболее высокорослыми являются л.05-85 (61,4 см.), Kanamito (58,0), Tondina (56,2 см.). Источником устойчивости к полеганию могут служить Samarinska (31,7 см.) и стандарт Рубин (33,5 см.).

Длина стебля у фасоли относится к числу слабо изменчивых признаков. Коэффициент вариации в среднем за годы изучения находился в пределах от 7,8% до 11,4%.

Высота прикрепления нижнего боба - важный признак, определяющий технологичность сортов фасоли. В наших исследованиях у коллекционных сортообразцов в среднем за 2009 - 2011 гг. значение признака варьировало от 8,8 см. (Glen lyon) до 19,8 см. (Станичная). У стандарта Рубин высота прикрепления нижнего боба составила 17,4 см. В качестве источников высокого прикрепления нижнего боба (19-20 см.) выделены сортообразцы Шубинская, Станичная, Гелиада.

Коэффициент вариации признака составил 9,5%.. .18,9%.

Число продуктивных узлов на растении. Установлено, что проявление признака зависело как от года выращивания, так и от генотипа и находилось в пределах от 3,9 шт. (л.00-106) до 9,6 шт. (л.00-572). У растений стандарта Рубин формировалось в среднем 4,4 продуктивных узлов. Источниками большого числа продуктивных узлов на растении (7-9 шт.) являются сортообразцы: л.00-572, л.02-174, Zitekid, Tondina.

Коэффициент вариации признака находился в пределах от 12,4% до 27,2%.

Число бобов на растении. У изученного набора сортообразцов фасоли число бобов на растении в среднем за 3 года изменялось от 8,8 шт. (София) до 23,6 шт.(Tondina). Самое большое число бобов на растении (16-23 шт.) сформировали сортообразцы: Tondina, л.00-572, Kanamito, Услада, Aura, л.00-174. У стандарта Рубин число бобов на растении составило 8,6 шт.

Значение коэффициента вариации признака в среднем за 3 года составило -15,5% -41,6%.

Число бобов на продуктивный узел. В среднем за 3 года значение этого показателя у сортообразцов фасоли варьировало от 1,6 шт. (Zitekid) до 4,2 шт. (Tondina); у стандарта Рубин - 2,1 шт. Наибольшее число бобов на продуктивный узел (3-4 шт.) сформировали сортообразцы: Tondina, Glen lyon, Услада, л.00-106, л.05-85, л.02-174, Оран, Мечта хозяйки, София, Samarinska, Aura

Значение коэффициента вариации признака в среднем за годы изучения находилось в пределах от 21,3% до 40,6%.

Число семян с растения. Больше всего семян в среднем за годы изучения формировали растения сортообразца Tondina (87,2 шт.), самое низкое (20,4 шт.) - стандарта Рубин. Источниками высокого числа семян с растения (40-80 шт.) среди изученных сортообразцов являются: Tondina, л.00-572, Kanamito, Glen lyon, Шоколадница, Zitekid, Aura.

Коэффициент изменчивости рассматриваемого признака составил 16,6% - 38,7%.

Число семян в бобе. В формировании урожая фасоли большое значение имеет осемененность боба. В среднем за 2009-2011 г.г. растения фасоли формировали от 2,3 шт. (Рубин) до 3,8 (Pricor) семян в бобе. Больше всех семян в бобе (>3,5 шт.) сформировали растения сортообразцов: Оран, Glen lyon, Tondina, Pricor;

Коэффициент изменчивости признака находился в пределах от 14,6% до 31,5%.

Масса семян с растения. Установлено, что в различные годы изучения существенно изменялись не только абсолютные значения признака, но и амплитуда его изменчивости. В среднем за три года семенная продуктивность со-ротообразцов фасоли колебалась от 6,2 г (София) до 21,6 г (Tondina). У стандарта Рубин она составила 8,1 г. Источниками высокой семенной продуктивности растения (10-20 г.) среди изученного набора сортообразцов являются Tondina, Zitekid, Aura, л.00-572, Kanamito, Aura, Мечта хозяйки, Оран, Шубин-ская.

Масса зерна с растения у фасоли относится к сильно изменчивым признакам (22,8 - 53,6%).

Масса 1000 семян. У изученных нами сортообразцов масса 1000 семян варьировала в среднем за 2009-2011 годы от 146 г. (Glen lyion) до 411 г. (Шу-бинская). У стандарта Рубин значение показателя составило 284+10,4 г.

В среднем за годы изучения установлен средний уровень изменчивости признака - 13,6 - 22,7%.

Клубенькообразующая способность сортообразцов фасоли. На формирование симбиотического аппарата различных сортообразцов фасоли в полевых условиях при спонтанной инокуляции существенное влияние оказывают метеорологические условия, складывающиеся в процессе роста и развития растений, а также генотип сорта. Установлено, что в годы с достаточной обеспеченностью влагой (2009 г.) на корнях растений в целом формировалось больше клубеньков (от 35 до 66 шт.) по сравнению с аномально жарким 2010 годом (от 12 до 31 шт.) и засушливым 2011 годом (от 22 до 45 шт.), когда отмечался значительный дефицит влаги.

Наибольшее количество клубеньков на корнях растений формируется к фазе начала образования бобов. В течение трех лет изучения больше всего клубеньков сформировали восемь сортообразцов: л.02-174, Рубин, Гелиада, Tondina, Шоколадница, Kanamito, Услада, Glen lyon. У них на корнях было в фазу бутонизации - начала цветения - по 30 - 39 клубеньков, в фазу начала образования бобов - от 41 до 45 клубеньков, в фазу созревания - от 6 до 8 клубеньков ( рис.1).

-ф. бутонизации -нач. цветения

-ф. нач. образования бобов

-ф. созревания

сортообразцы фасоли

Рисунок 1 - Клубенькообразующая способность лучших сортообразцов фасоли при спонтанной инокуляции, в среднем за 2009 - 2011 гг.

Выделившиеся сортообразцы предлагаются в качестве источников высокой клубенькообразующей способности, которые можно использовать в селекции фасоли на повышенную интенсивность азотфиксации.

Нитрогеназная активность сортообразцов фасоли. У большинства сортообразцов фасоли в среднем за годы изучения нитрогеназная активность была ниже, чем у стандарта Рубин. Наиболее высокий уровень проявления этого показателя отмечен в фазу начала образования бобов у сортообразцов Aura, Tondina, Рубин, Гелиада, Шоколадница, Услада, Kanamito, Glen lyon (22 - 27 мкг ^-растение/час) (рис.2).

-ф. бутонизация - нач. цветения

-ф. нач. образования бобов -ф. созревания

сортообразцы фасоли

Рисунок 2 - Нитрогеназная активность лучших сортообразцов фасоли, мкг Ы2'растение/час, в среднем за 2009 - 2011 гг.

Взаимосвязи хозяйственно-полезных признаков. Выявлена тесная положительная связь между семенной продуктивностью фасоли и числом семян с растения (г=0,35-0,76), числом бобов с растения (г=0,30-0,85), массой 1000 семян (г=0,25-0,34). Масса семян с растения слабо коррелирует с числом клубень-

ков на корнях растений (г=0,16-0,21) и нитрогеназной активностью (г=0,08-0,13). Число семян с растения имеет положительную корреляцию с числом бобов с растения (г=0,72-0,83) и числом продуктивных узлов на растении (г=0,56-0,71). Следует отметить наличие отрицательной связи массы 1000 семян с числом бобов на растении (г=- 0,33 - - 0,51), числом семян с растения (г= -0,41 - -0,55), числом бобов на продуктивный узел (г= -0,31 - -0,39), числом продуктивных узлов (г= -0,29 - -0,43).

Для выявления факторов, оказывающих наибольшее влияние на массу семян с растения, был также использован метод многофакторного корреляционно-регрессионного анализа, позволивший получить следующее уравнение регрессии:

Kt= 1,257+0,760х,+0,037x2+0,006x3, который показал, что 74,2% вариации массы семян с растения у изученного нами набора сортов определяют х, - число бобов с растения (г=0,698), х2 - число семян с растения (г=0,663), х3 - масса 1000 семян (г=0,348). Следовательно, при моделировании будущего сорта селекционеру, прежде всего, следует обратить внимание на эти три признака и на их основе подбирать компоненты для скрещивания.

Кластерный анализ сортообразцов фасоли. Для выявления генотипов со сходной нормой реакции нами была проведена кластеризация 20 изученных сортообразцов фасоли. В результате сортообразцы были распределены на 4кластера (рис. 3).

Tree Dtagram for 20 Cases Ward's method Euclidean distances

n. 05-85 Канамито Шоколадница Танцта Станичная л.00-572 л.00-106 Рубин Услада Зйтекид Шубннская Оран Мечта София Гелиада Глен пион Аура Пршор л 02-174 Саморинска

О 2 4 6 8 10 12 14 16

Linkage Distance

Рисунок 3 - Дендрограмма сортообразцов по хозяйственно-полезным

признакам, 2009 - 2011 гг.: 1-й кластер: л.05-85; 2-й: Kanaimito, Tondina, Станичная, л.00-106; 3-й: Шоколадница, л. 00-572, Мечта хозяйки, София, Рубин; 4-й: Услада, Гелиада, Шубинская, Glen lyon, Zitekid, Оран, Aura, Pricor, Samorinska, л. 02-174.

—^

ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СТАБИЛЬНОСТЬ, ПЛАСТИЧНОСТЬ И АДАПТИВНОЙ ЦЕННОСТИ РАЗЛИЧНЫХ ГЕНОТИПОВ ФАСОЛИ Экологическая пластичность и стабильность сортообразцов фасоли.

Результаты двухфакторного дисперсионного анализа семенной продуктивности фасоли позволили нам вычислить параметры стабильности и пластичности сортообразцов фасоли, где Ь, - коэффициент регрессии, в2^ - варианса отклонений от линии регрессии (табл. 2).

Таблица 2 - Параметры экологической пластичности, стабильности и адаптивной способности сортообразцов фасоли, 2009-2011 гг.

Сортообразец bi s2d, V% oCAC СЦГ

Tondina -1,24 76,06 30,96 1,84 16,15

Zitekid -1,20 10,86 31,86 1,25 8,33

л.00-572 1,11 37,10 35,18 3,86 10,12

Kanamito 1,62 59,12 44,49 1,18 11,18

л.02-174 0,48 0,33 10,75 2,17 6,25

Samorinska 0,00 4,85 18,68 4,11 13,25

Pricor 0,64 0,37 13,67 5,31 8,55

Станичная 0,26 0,08 6,35 3,52 21,62

Aura 2,07 63,29 52,19 1,93 10,54

Шоколадница 0,86 5,39 25,33 2,12 12,73

Мечта хозяйки 3,38 75,10 62,54 6,15 19,16

л.00-106 0,93 0,22 20,31 1,05 6,17

Оран 3,10 72,75 63,80 4,29 10,24

Услада 0,39 7,09 26,52 2,06 13,67

Гелиада 0,85 11,49 34,24 1,96 10,25

Шубинская 2,61 12,86 69,40 5,92 18,73

л.00-85 0,89 17,22 40,51 4,19 11,46

Рубин 0,71 25,97 47,62 2,18 14,32

Glen lion 1,44 3,83 34,88 1,65 10,29

София 1,09 5,56 44,38 3,26 7,37

Изученные нами сортообразцы по стабильности семенной продуктивности можно разделить на 3 группы:

1 группа - стабильность выше средней (коэффициент регрессии <1): Топ-сііпа, 2кекі<і, л.02-174, Башоппхка, Ргісог, Станичная, Услада;

2 группа - среднестабильные (коэффициент регрессии близок к 1 ): л.00-572, л.00-106, Гелиада, л.00-85, София, Шоколадница.

3 группа - стабильность ниже средней (коэффициент регрессии >1):, Ка-namito, Aura, Мечта хозяйки, Оран, Шубинская, Рубин, Glen lyon.

Учитывая значения показателей bi и s2dj (варианса отклонений от линии регрессии) наиболее стабильной из изученного набора сортообразцов является л.00-106 (bj=0,93, s2d=0,22).

Оценка сортообразцов по параметру, определяющему специфическую адаптивную способность (аСАС) к определенным условиям среды, выявила их сортовую специфичность по данному показателю (табл. 2). Наибольшей стабильностью аСАС характеризовались сортообразцы л.00-106 (1,05), Kanamito (1,18), Zitekid (1,25). Самая низкая стабильность (6,15) отмечена у сортообраз-ца Мечта хозяйки.

Для оценки сортов с учетом оптимального значения общей адаптивной способности и её стабильности используется показатель селекционной ценности генотипа (СЦГ). По этому показателю в наших исследованиях выявлены сорта, сочетающие высокую продуктивность со стабильностью этого показателя. К таким сортообразцам относятся сортообразцы л.00-106 (6,17), л.02-174 (6,25), что свидетельствует о том, что эти сортообразцы лучше противостоят стрессовым факторам и в условиях Орловской области и характеризуются большей продуктивностью.

СОЗДАНИЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ СОРТО-МИКРОБНЫХ СИСТЕМ ФАСОЛИ

Для использования уникальных свойств симбиотических взаимодействий бобовых культур в настоящее время в сельскохозяйственном производстве создаются консортивные сорто-микробные системы. Они состоят из сортов бобовых культур и комплементарных им штаммов полезных почвенных микроорганизмов. Сформировать эффективные сорто-микробные системы можно либо подобрав к определенному сорту комплементарный штамм ризобий, либо путем селекции новых сортов с повышенными симбиотическими свойствами.

Нами была предпринята попытка создания высокоэффективных растительно-микробных систем фасоли на основе изучения отзывчивости на инокуляцию ризобиями и грибами арбускулярной микоризы 7 сортообразцов, отобранных из коллекции в результате тщательного скрининга.

При предпосевной обработке семян ризоторфином (штамм 653) больше клубеньков на корнях (на 17-30%) по сравнению с контрольным вариантом сформировали растения сортообразцов: Aura (48 шт.), Glen lyon, Рубин (56 шт.), Шоколадница (57 шт.) (табл. 3). Предпосевное внесении в почву комплексного микробиологического удобрения (КМУ) способствовало усилению развития симбиотического аппарата у сортообразцов Kanamito (62 шт.), Услада (48 шт.), Гелиада (63 шт.), что на 17 - 29% больше по сравнению с контролем.

Таблица 3 - Показатели клубенькообразующей деятельности и нитрогеназной активности сортообразцов фасоли в фазу начала образования бобов при моно- и двойной инокуляции, в среднем за 2009-2010гг.

Сортообразец Варианты Число клу- Нитрогеназная Интенсив- Число арбускул

опыта оеньков на активность ность микори- в микоризован-

растении, шт мкг Mi-растение /час зашш корней,% ной части корпя,0/»

контроль 37±1,23 21±1,23 100 57

Aura + шт. 653 48±2,47 47±2,18 100 48

АМ 38±3,24 51±3,42 88 46

КМУ 43±2,36 54±4,18 82 40

контроль 45±ЗД8 25±2,27 98 47

Glen lyon + шт. 653 56±4,23 48±4,55 97 45

АМ 49±3,56 50±2,42 84 43

КМУ 48±3,59 36±1,18 80 43

контроль 49±2,64 25±1,25 100 62

Kanamito + шт. 653 53±2,55 39±2,59 100 60

АМ 47±3,27 55±2,47 85 54

КМУ 62±3,43 63±3,57 82 53

контроль 41 ±2,09 25±1,26 100 56

Услала + шт. 653 43±1,87 35±1,43 100 54

АМ 43±2,45 52±2,12 85 48

КМУ 48±1,87 63±4,52 84 47

контроль 48±2,34 24±1,09 97 56

Рубин + шт. 653 56±5,19 44±2,18 97 54

АМ 50±2,45 35±1,24 85 35

КМУ 49±3,02 33±1,36 83 31

контроль 48±1,56 34±1,48 98 57

Шоколадни- + шт. 653 57±4,67 41±2,54 98 55

ца АМ 53±2,38 37±1,59 83 34

КМУ 54±3,44 33±1,23 80 32

контроль 49±2,71 27±1,45 100 68

Гелиада + шт. 653 55±3,76 32±1,86 100 63

АМ 61±3,49 62±2,39 92 57

КМУ 63±4,56 71±4,50 91 57

В среднем за годы изучения наибольшее количество биологического азота (62±2,39 и 71±4,50 мкг КУраст. час) фиксировали растения сортообразца Ге-лиада в варианте с предпосевным внесением в почву грибов арбускулярной микоризы (AM) и комплексного микробиологического удобрения (КМУ) (табл.3). Большую отзывчивость на использование ризоторфина показали растения сортообразцов Glen lyon (48±4,55 мкг ^-растение /час), Рубин (44±2,18 мкг ^•растение /час) и Шоколадница (41±2,54 мкг Ы2-растение /час).

Растения фасоли, взаимодействуя с почвенными грибами (Glomenomycota), образуют арбускулярную микоризу, улучшающую их водный статус, снабжающую необходимыми элементами минерального питания (преимущественно труднодоступным фосфором и азотом), повышающую устойчивость к фитопа-тогенам. Микоризация ведет к улучшению роста растений, однако широкое ис-

пользование этого симбиоза ограничено сложностью приготовления препаратов, содержащих грибы.

При микроскопическом анализе установлена высокая частота встречаемости микоризы в корневой системе растений контрольных вариантов (97-100%) (табл.3). Отмечено, что при внесении почвенно-корневой смесь из-под микори-зованной суданской травы (Sorgum sudanense Pers. (AM) и при двойной инокуляции (КМУ) имеет место тенденция уменьшения интенсивности развития микоризной инфекции (М,%), во многих случаях достоверная по сравнению с контролем, что можно объяснить большей эффективностью интродуцированных эндомикоризных грибов по сравнению с местными. Это выражается в относительном увеличении биомассы сортообразцов по сравнению с контрольным вариантом, что свидетельствует о более высокой функциональной активности ар-бускулярной микоризы.

Наряду с числом клубеньков на корнях растений и нитрогеназной активностью важным показателем активности симбиотического аппарата у фасоли является масса сухого растения. Установлено, что значение этого показателя в среднем за 2009-2011 годы в контрольном варианте колебалась от 15,0 г (Ге-лиада) до 36,7 г (Kanamito) (табл.4).

В варианте с предпосевной обработкой семян ризоторфином (шт.653) превышение по этому показателю над контролем у сортообразцов составило: Aura - 1,7 г (5,8%), Glen lyon - 4,2 г (17,5%), Kanamito - 0,8 г (2,1%), Услада -3,2 г (15,8%), Рубин - 1,3 г (5,3%), Шоколадница - 1,1 г (4,1%), Гелиада - 10,5 г (70,0%).

Предпосевное внесение в почву грибов арбускулярной микоризы (AM) способствовало формированию большей массы сухого растения у сортообразцов Kanamito (38,3 г), Услада (24,8 г), Гелиада (26,3), что выше контроля на 4,4%, 22,7% и 75,3% соответственно.

В варианте с предпосевным внесением в почву комплексного микробиологического удобрения (КМУ) большая масса сухого растения отмечена у сортообразцов Kanamito (38,4 г), Услада (28,1 г), Гелиада (27,2 г). Превышение над контролем у этих сортообразцов составило соответственно 4,6%, 39,1% и 81,3%.

В качестве основного при оценке симбиотической эффективности фасоли был взят показатель семенной продуктивности растений (масса семян с одного растения) - один из главных элементов структуры урожая, обусловленный взаимодействием многих генов, влиянием почвенно-климатических и агротехнических условий.

Проведенные исследования показали, что значение данного признака у сортообразцов фасоли в контрольном варианте варьировало в среднем за три года от 7,1 г (Гелиада), до 20,2 г (Aura) (табл. 4).

Предпосевная обработка семян ризоторфином (штамм 653) максимальный эффект дала на сортообразцах Aura (21,4 г), Kanamito (24,6 г), Рубин (16,1 г), Шоколадница (13,5 г), Гелиада (25,5 г), что на 19,3%, 6,9%, 29,8%, 14,4% и 70,0% выше, чем масса семян с растения в контрольном варианте.

Таблица 4 - Влияние биопрепаратов на основные хозяйственно полезные признаки сортообразцов фасоли, 2009-2011 гг.

Сортообра- Вариант Масса сухого Масса се- Число се- Масса 1000

зец опыта растения, г мян с растения, г мян с растения, шт. семян,г

контроль 29,5±2,23 20,2± 1,10 61,0±3,3 330±И,0

Aura + шт. 653 31,2±1,78 21,4±1,40 64,5±4,4 332±6,4

АМ 27,0±2,09 17,5±1,Ю 49,6±2,7 353±11,4

КМУ 29,4±1,65 19,4±1,93 53,8±3,4 361±18,7

контроль 19,9±1,03 9,5±0,80 53,6±2,8 161±9,3

Glen lyon + шт. 653 23,4±0,98 7,3±0,60 59,4±3,3 123±6,2

АМ 22,1±1,25 11,1±0,80 65,7±3,8 169±6,3

КМУ 16,1±2,36 8,2±0,68 56,1±3,7 147±4,2

контроль 36,7±2,49 23,0±1,00 142,0±5,7 162±6,0

Kanamito + шт. 653 37,5±3,05 24,6±1,40 133,0±5,1 185±6,1

АМ 38,3±2,14 21,5±1,10 100,3±6,1 216±7,2

КМУ 38,4±1,29 24,1±1,07 147,0±6,6 169±5,3

контроль 20,2±2,18 9,6±0,70 58,5±3,9 169±7,3

Услада + шт. 653 23,4±1,36 10,5±0,60 59,4±2,7 172±6,0

АМ 24,8±2,45 10,8±0,70 58,1±4,3 182±7,4

КМУ 28,1±1,73 9,7±0,69 52,7±2,9 183±7,5

контроль 24,5±2,15 12,4±0,70 38,3±1,5 326±6,8

Рубин + шт. 653 25,8±3,24 16,1±0,60 44,7±1,3 358±6,5

АМ 24,6±3,98 13,5±0,70 42,6±2,6 316±14,9

КМУ 24,5±2,55 17,4±0,70 46,0±2,1 378±8,6

контроль 26,7±1,87 11,8±1,20 61,0±4,8 190±8,2

Шоколад- + шт. 653 27,8±1,21 13,5±0,60 54,9±2,1 245±8,9

ница АМ 22,1 ±1,48 14,5±0,90 70,3±4.0 208±4,2

КМУ 18,3±2,34 8,4±0,44 45,5±1,3 186±5,5

контроль 15,0±3,09 7,1±0,60 19,2±2,1 369±19,4

Гелиада + шт. 653 25,5±2,58 18,6±0,60 53,9±4,0 344±9,1

АМ 26,3±1,27 12,4±1,00 46,5±2,9 264±9,4

КМУ 27,2±1,46 11,5±0,71 43,5±2,9 267±9,1

Внесение в почву инокулюма, содержащего грибы арбускулярной микоризы, позволило растениям сортообразцов фасоли Glen lyon, Услада, Рубин, Шоколадница Гелиада сформировать семенную продуктивность 11,1 г, 10,8 г, 13,5 г, 14,5 г, 12,4 г соответственно, что на 16,8%, 12,5%, 8,9%, 22,9% и 74,6% выше, чем в контрольном варианте.

Использование комплексного микробного препарата (КМУ) увеличивало семенную продуктивность растений по сравнению с контролем у сортообразцов: Kanamito - на 1,7 г (4,7%), Услада - на ОД г (1,0%), Рубин - на 3,0 г (40,3%), Гелиада - на 4,0 г (61,9%).

Анализ полученных данных показал, что в среднем за годы изучения наибольшее число семян по сравнению с контролем было сформировано: у сортообразцов Aura, Услада, Гелиада при обработке семян перед посевом ризотор-фииом (шт.653) - 64,5 шт., 142,0 шт., 53,9 шт. соответственно (контроль - 61,0 шт., 58,5 шт. соответственно); у сортообразца Glen lyon при внесении в почву

грибов арбускулярной микоризы (AM) - 65,7 шт. (контроль - 53,6 шт.); у сор-тообразцов Kanamito, Рубин в варианте с КМУ -147,0 шт., 46,0 шт. соответственно (контроль - 142,0 шт., 38,3 шт. соответственно); у сортообразца Шоколадница в варианте с использованием арбускулярной микоризы (AM) - 70,3 шт. (контроль - 61,0 шт.) (табл. 4).

В среднем за 2009-2011 годы в контрольном варианте без обработки масса 1000 семян у изучаемых сортообразцов фасоли находилась в пределах от 161 r.(Glen lyon) до 369 г (Гелиада) (табл.4).

В варианте с предпосевной инокуляцией семян ризоторфином (шт.653) увеличение крупности семян отмечено у сортообразцов Aura (332 г), Kanamito (185 г), Услада (172 г), Рубин (358 г), Шоколадница (245 г), что соответственно на 0,6%, 14,1%, 1,8%, 9,8% и 28,9% выше, чем в контрольном варианте.

Использование грибов арбускулярной микоризы увеличивало крупность семян у сортообразцов Aura (353 г), Glen lion (169 г), Kanamito (216 г), Услада (182 г), Шоколадница (208 г) соответственно на 6,9%, 4,9%, 33,3%, 7,7% и 9,5% по сравнению с контролем.

Предпосевное внесение в почву комплексного микробиологического удобрения (КМУ) способствовало увеличению массы 1000 семян у сортообразцов Aura (361 г), Kanamito (185 г), Услада (183 г), Рубин (378 г), превысив контрольный вариант соответственно на 9,3%, 4,3%, 8,3%, 15,9%. У сортообразцов Шоколадница и Гелиада в этом варианте масса 1000 семян снизилась по сравнению с контролем на 11,8% и 38,2% и составила 186 г и 267 г.

БИОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ СОРТООБРАЗЦОВ ФАСОЛИ

Содержание белка в семенах. Наибольшее содержание белка в семенах отмечено у сортообразца Aura (30,9-31,9%), наименьшее - у Гелиады (22,423,3%), варьируя по годам. Так, в 2009 году в контрольном варианте оно изменялось от 22,0% (Гелиада) до 30,9% (Aura), в 2010 году - от 22,3% (Гелиада) до 31,6% (Aura), в 2011 году - от 22,1% (Гелиада) до 30,8% (Aura).

Использование ризоторфина (штамм 653) повышало содержание белка на 0,2 % (Kanamito, Гелиада) - 0,6% (Шоколадница). Применение грибов арбускулярной микоризы (AM) увеличивало уровень белка на 0,2% (Услада) - 0,8% (Aura); комплексного микробиологического удобрения (КМУ) ~ на 0,6% (Glen lyon).

Установлено влияние погодных условий на показатель белковости семян. Так, чем выше была температура воздуха в период вегетации (2010 год), тем больше белка было в семенах.

Анализ корреляционных отношений содержания белка и продуктивности показал наличие отрицательной связи между этими признаками (г=-0,37±0,025 -г=- 0,42±0,053).

Аминокислотный состав семян фасоли. В среднем, за годы изучения содержание лизина в белках семян фасоли варьировало от 6,4% (Услада) до 7,2% (Aura). Белки семян изученных сортообразцов содержали достаточно много лейцина - от 7,6 (Glen lyon) до 8,2% (Гелиада); фенилаланина - от 6,2% (Ге-

лиада) до 7,1% (Услада); аргинина - от 6,2% (Гелиада) до 6,8% (Услада); аспа-рагиновой кислоты - от 12,3% (Гелиада) до 12,9% (Aura); глутаминовой кислоты - от 16,0% (Гелиада) до 17,0% (Aura, Шоколадница).

Лимитирующими аминокислотами в белке фасоли являются метионуш и цистин. Не оказались исключением в этом отношении и используемые в нашей работе сортообразцы. Так, метионина в них содержалось 0,9%, цистина - 0,5%.

СОЗДАНИЕ НОВЫХ ВЫСОКОПРОДУКТИВНЫХ ЛИНИЙ ФАСОЛИ, ОТЗЫВЧИВЫХ НА ИНОКУЛЯЦИЮ КЛУБЕНЬКОВЫМИ БАКТЕРИЯМИ И ГРИБАМИ АРБУСКУЛЯРНОЙ МИКОРИЗЫ

Нами были проведены прямые и обратные скрещивания высокопродуктивных сортообразцов фасоли Рубин, л.00-106, л.04-178, Aura, Zitekid с высокоотзывчивым на двойную инокуляцию сортообразцом Kanamito.

После серии отборов в F2 - F4 гибридных поколениях на высокую эффективность одновременной инокуляции грибами и клубеньковыми бактериями были выделены линии: л.2-10 (Kanamito х Рубин), л.3-10(л. 00-106 х Kanamito), л. 4-10 (Kanamito х л.04-178), л. 5-10 (Kanamito х Zitekid) (табл.5).

Таблица 5 - Семенная продуктивность селекционных линий и исходных родительских сортов фасоли, г/растение, 2010-2011 гг.

2010 г. 2011 г. Среднее за 2

Сорт, линия года

конт двой- конт двой- конт двой

роль ная роль ная роль ная

ино- иноку- ино-

куля- ляция куля-

ция ля-

ция

Рубин 9,9 14,2 11,6 15,8 10,8 15,0

Kanamito 11,0 15,9 12,8 16,7 11,9 16,3

Zitekid 9,0 13,4 9,5 15,0 9,3 14,2

л.00-106 9,2 12,6 10,5 13,7 9,9 13,2

л.04-178 9,7 13,1 10,7 14,1 10,2 13,6

л.2-10 (Kanamito х Рубин) 11,8 18,3 13,1 21,6 12,5 19,9

л.3-10 (л.00-106 х Kanamito) 10,2 14,1 11,2 15,4 10,6 14,8

л.4-10 (Kanamito х л.04-178) 10,0 13,7 12,5 14,3 11,2 14,0

л. 5-10 (Kanamito х Zitekid) 9,3 12,6 10,5 14,7 9,9 13,7

НСР05 1,2 1,3 1,2 1,1

Наиболее продуктивной, как на контроле, так и при двойной инокуляции, в среднем за годы изучения была линия 2-10 (КапатНо х Рубин), 12,5 г/растение и 19,9 г/растение соответственно (табл. 6).

Растения селекционной линии 2-10 (Капатко х Рубин) имеют высоту 4045 см, являются среднеспелыми с продолжительностью вегетационного периода 83-85 суток. На растении формируется 3-4 продуктивных узла и 5-7 бобов на продуктивный узел. Окраска цветков белая. Семена красные, овально-яйцевидной формы.

Таблица 6 - Характеристика селекционной линии фасоли л.2-10 (Капатко х Рубин) по основным хозяйственно полезным признакам,

2010-2011гг.

Признаки Контроль Двойная инокуляция

Длина стебля, см. 45 40

Число бобов на продуктивный узел, шт. 4 7

Число семян в бобе, шт. 5 7

Масса семян с растения, г. 12,5 19,9

Масса 1000 семян, г. 210 270

Продолжительность вегетационного пе- 83 89

риода, сутки

Содержание белка в семенах, % 26,4 28,1

Нитрогеназная активность, мкг №/раст. 10,2 15,7

час

Число клубеньков на растение, шт. 73 112

Урожайность, т/га 2,87 3,56

Таким образом, на основании исследований по повышению потенциала семенной продуктивности и симбиотической активности фасоли селекционным путем создана новая селекционная линия 2-10 (Капатко х Рубин), отзывчивая на одновременную инокуляцию клубеньковыми бактериями и грибами арбуску-лярной микоризы с семенной продуктивностью 19,9 г/растение, что 59,2% выше, чем в варианте без обработки и на 32,7% выше стандарта Рубин при двойной инокуляции.

ВЫВОДЫ

1. У фасоли наибольшей изменчивостью характеризуются признаки: масса семян с растения (33,1%), число бобов на растении (30,6%), число бобов на продуктивный узел (29,3%). Среднюю степень изменчивости имеют признаки: число семян с растения (26,9%), число продуктивных узлов на растении (22,6%), число семян в бобе (20,9%). Наибольшей стабильностью отличаются длина стебля (9,3%), высота прикрепления нижнего боба (14,4%) и масса 1000 семян (17,5%).

2. Наибольшее влияние на семенную продуктивность фасоли оказывает число бобов с растения (г=0,698), число семян с растения (г=0,663) и масса 1000 семян с растения (г=0,348).

3. С учетом уровня проявления основных хозяйственно-полезных признаков изученные сортообразцы фасоли формируют 4 кластера: 1- Kanamito, Топ-dina, Станичная, л.00-106; 2 - Шоколадница, л. 00-572, Мечта хозяйки, София, Рубин; 3 - Услада, Гелиада, Шубинская, Glen lyon, Zitekid, Оран, Aura, Pri-cor, Samoritiska, л. 02-174.

4. Сортообразцы Tondina, Aura, Glen lyon, Kanamito, Шоколадница, Zitekid обладают повышенной способностью к образованию эффективного бобово-ризобиального симбиоза и могут быть использованы в сопряженной селекции растительно-микробных систем.

5. Селекционные линии л.00-106 и л.02-174 сочетают высокую продуктивность со стабильностью показателя селекционной ценности генотипа (СЦГ). Эти образцы лучше противостоят стрессовым факторам в условиях Орловской области и рекомендуются для включения в селекционные программы в качестве источников адаптивности.

6. Наиболее высокую эффективность симбиоза с производственным штамом клубеньковых бактерий 653 показали сортообразцы фасоли Aura, Шоколадница, Рубин. Прибавка семенной продуктивности растений по отношению к контролю составила 14,4-70,0%.

7. Установлено, что предпосевное внесение в почву комплексного микробиологического удобрения (КМУ) повышало семенную продуктивность на 4,7 - 61,9% и симбиотическую активность в 1,2-1,5 раза у сортообразцов Kanamito, Услада, Гелиада.

8. Содержание белка в семенах фасоли существенно зависит от генотипа сорта и погодных условий в период налива бобов и формирования семян. Высокая температура воздуха в этот период способствовала увеличению содержания белка.

9. Выделена перспективная селекционная линия 2-10 (Kanamito х Рубин), отзывчивая на одновременную инокуляцию клубеньковыми бактериями и грибами арбускулярной микоризы, на 24,0% превосходящая по урожайности контрольный вариант без обработки и на 32,7% выше стандарта Рубин при двойной инокуляции.

РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ СЕЛЕКЦИОННОЙ ПРАКТИКИ

1. В селекции фасоли рекомендуются следующие источники хозяйственно-ценных и морфобиологических признаков: раннеспелости (продолжительность периода вегетации 72-80 суток): Гелиада, Шоколадница, Рубин, Оран, Услада, л.00-572; короткостебельности (длина стебля 32-50 см): Гелиада, Шоколадница, Рубин, Оран, Услада, л.00-572, София, л.00-106, л.02-174, Шубинская, Мечта хозяйки, Glen lyon, Aura, Zitekid, Samarinska, Prineor, Tondina; высокого прикрепления нижнего боба (19-20 см): Шубинская, Станичная, Гелиада; комплекса основных хозяйственно-полезных признаков и симбиотических показателей: Tondina, Aura, Glen lyon, Kanamito, л.00-106.

2. При создании сортов фасоли нового поколения с повышенной эффективностью симбиоза в качестве исходного материала для гибридизации целесо-

образно использовать сортообразцы Tondina, Aura, Glen lyon, Kanamito, Шоколадница, Zitekid. Отбор генотипов на ранних этапах селекционного процесса и формирование селекционного материала следует проводить на фоне инокуляции семян штаммом ризобий 653 и предпосевного внесения в почву комплексного микробиологического удобрения, содержащего штаммы ризобий и грибов арбускулярной микоризы.

3. Учитывая простоту предпосевной инокуляции семян и внесения в почву арбускулярной микоризы (АМ) и комплексного микробиологического удобрения (КМУ), их дешевизну и экологические преимущества, необходимо чтобы эти приемы стали обязательной составной частью агротехнологии фасоли для-повышения эффективности симбиотических систем культуры.

4. Для создания нового высокоурожайного сорта фасоли с высокой эффективностью симбиоза рекомендуется использовать селекционную линию 210 (Kanamito х Рубин).

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Барбашов, М.В. Изменчивость основных хозяйственно-полезных признаков фасоли /М.В. Барбашов // Инновационный потенциал молодых ученых АПК Орловской области - Орел: Орел Г'АУ, 2010. - С.34-36.

2. Штарк, О.Ю. Биотехнология создания принципиально новых коммерческих сортов бобовых с повышенной эффективностью взаимодействия с полезной почвенной микрофлорой (09-04-13895) / О.Ю. Штарк, А.Ю. Борисов, Г.А. Ахтемова, Т.Н. Данилова, Т.С. Наумкина, А.Г. Васильчиков, В.К. Чеботарь, М.В. Барбашов, В.И. Зотиков //Ориентированные фундаментальные исследования и их реализация в АПК России. 28-30 октября 2009 г.: материалы конференции РАСХН-РФФИ, Сергиев Посад, 2009. - С.35-38.

3. Shtark, О.Y. Multipartite symbiotic systems in legumes: genetics, natural history and the use in sustainable agriculture / O.Y. Shtark, A.Y. Borisov, V.A. Zu-kov, G.A. Akhtemova., E.S. Ovchinnikova, M.V. Barbachov // Adaptation to Climate Change in the Baltic Sea Région: Contributions from Plant and Microbial Biotechnology (July 12-17,2010). - Michelin, Finland 2010. - P. 15.

4. Васильчиков, А.Г. Влияние моно- и двойной инокуляции на продуктивность фасоли / А.Г. Васильчиков, М.В. Барбашов //Пути повышения устойчивости растениеводства к негативным природным и техногенным воздействиям: Сборник материалов Международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов (21-25 марта 2011 г. Орел); [Орел ГАУ].- Орел, 2011. - С.33-35.

5. Наумкина, Т.С. Использование симбиозов бобовых при создании высокоэффективных растительно-микробных систем для адаптивного растениеводства /Т.С. Наумкина, А.Ю. Борисов, О.Ю. Штарк, А.Г. Васильчиков, А.А. Молошонок, М.В. Барбашов, М.В. Донская //Аграрная Россия, 2011. - №3. -С.35-37.

6. Зотиков, В.И. Эффективность применения ФлорГумата универсального на семенах и вегетируюших растениях /В.И. Зотиков, А.И. Ерохин, М.В. Барбашов //Земледелие, 2011. - №8. - С.44-45.

Подписано в печать 16.02.2012 г. Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Гарнитура Тайме. Усл. печ. л. 1,0. Заказ 34. Тираж 100 экз.

Отпечатано в издательстве Орел ГАУ, 2012, Орел, Бульвар Победы, 19

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Барбашов, Максим Вячеславович, Орел

61 12-6/368

ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

ЗЕРНОБОБОВЫХ И КРУПЯНЫХ КУЛЬТУР РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

на правах рукописи

БАРБАШОВ МАКСИМ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

ОЦЕНКА ИСХОДНОГО МАТЕРИАЛА ФАСОЛИ ОБЫКНОВЕННОЙ (Phaseolus vulgaris L.) ДЛЯ СОЗДАНИЯ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ РАСТИТЕЛЬНО - МИКРОБНЫХ СИСТЕМ

06.01.05. -селекция и семеноводство сельскохозяйственных растений

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук НАУМКИНА Т.С.

Орел 2012

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................. 4

1. ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ БОБОВЫХ РАСТЕНИЙ С СИМБИОТИЧЕСКИМИ МИКРООРГАНИЗМАМИ (обзор литературы)..............................................................................

1.1. Бобово-ризобиальный симбиоз............................................... 8

1.2. Симбиоз с эндомикоризными грибами 01отш Бр...................... 14

1.3. Принципы селекции растений на взаимодействие с симбиотиче-

20

скими микроорганизмами.....................................................

Заключение..................................................................... 28

2. УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ, МАТЕРИАЛ И

29

МЕТОДЫ.........................................................................

2.1. Условия проведения исследований....................................... 29

2.2. Материал для исследований................................................... 36

2.3. Методы проведения исследований.......................................... 38

3. ОЦЕНКА КОЛЛЕКЦИОННЫХ СОРТООБРАЗЦОВ ФАСОЛИ ПО МОРФОБИОЛОГИЧЕСКИМ ПРИЗНАКАМ И СИМБИОТИЧЕ- 42 СКИМ ПОКАЗАТЕЯМ.......................................................

3.1. Морфобиологические и симбиотические особенности коллекционных сортообразцов фасоли...............................................

3.2. Клубенькообразующая способность сортообразцов фасоли......... 58

3.3. Нитрогеназная активность сортообразцов фасоли...................... 63

3.4. Взаимосвязи основных хозяйственно полезных признаков фасоли............................................................................

3.5. Кластерный анализ сортообразцов фасоли по основным хозяйст-

68

венно полезным признакам.................................................

4. ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СТАБИЛЬНОСТЬ, ПЛАСТИЧНОСТЬ И АДАПТИВНОЙ ЦЕННОСТИ РАЗЛИЧНЫХ ГЕНОТИ- у8

ПОВ ФАСОЛИ..................................................................

4.1. Экологическая пластичность и стабильность сортообразцов фасо- 78 ли....................................................................................

5. СОЗДАНИЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ СОРТО-МИКРОБНЫХ

86

СИСТЕМ ФАСОЛИ............................................................

5.1. Отзывчивость сортообразцов фасоли на инокуляцию клубеньковыми бактериями и грибами арбускулярной микоризы...............

5.2. Биохимические особенности сортообразцов фасоли.................... 96

5.2.1 Содержание белка в семенах................................................ 96

5.2.2 Аминокислотный состав семян фасоли................................... 99

6. СОЗДАНИЕ НОВЫХ ВЫСОКОПРОДУКТИВНЫХ ЛИНИЙ ФАСОЛИ, ОТЗЫВЧИВЫХ НА ИНОКУЛЯЦИЮ КЛУБЕНЬКОВЫМИ БАКТЕРИЯМИ И ГРИБАМИ АРБУСКУЛЯРНОЙ МИКОРИ-

104

ЗЫ..................................................................................

ВЫВОДЫ................................................................................. 109

РЕКОМЕНДАЦИИ ДЛЯ СЕЛЕКЦИОННОЙ ПРАКТИКИ.......................... 111

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................ 112

ПРИЛОЖЕНИЕ...................................................................... 136

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Способность бобовых растений, в частности фасоли, формировать симбиозы с агрономически полезными микроорганизмами позволяет им существенно обогащать почву азотом, улучшать водный статус растений, снабжать необходимыми элементами минерального питания (труднодоступным фосфором и азотом), повышать устойчивость к болезням (Борисов с соавт., 2011).

Выявление общих генов, необходимых для формирования этих симбиозов, привело к заключению, что бобовые обладают единой генетической системой, контролирующей развитие многостороннего симбиоза: бобовое растение + грибы арбускулярной микоризы + полезные ризосферные/клубеньковые бактерии. Этот факт очень важен для дальнейшего развития симбиотической селекции, открывает возможности расширения адаптивных свойств растений, придания им новых метаболических функций и позволяет получать повышенные урожаи экологически чистого высокобелкового растительного сырья (На-умкина с соавт., 2011).

В связи с вышеизложенным, исследования по изучению исходного материала фасоли обыкновенной (Phaseolus vulgaris L.) и использованию его для создания высокоэффективных растительно-микробных систем относятся к приоритетным в науке и являются особенно актуальными.

Решению этих вопросов посвящена диссертационная работа, выполненная в рамках заданий 08.03.02. «Изучить генетический механизм взаимодействия растения-хозяина при симбиотических взаимоотношениях у гороха» и 02. Об. 02. «Создать растительно-микробные системы на основе изучения на уровне нанопространства и сигналинга генетической интеграции агрономически полезных микроорганизмов и растений» Программ фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению агропромышленного комплекса Российской Федерации на 2006...2010 гг. и 20112015 гг. Российской академии сельскохозяйственных наук, гранта РФФИ 09-04-99036-р_офи.

Цель исследований - выявление морфобиологических и симбиотиче-ских особенностей коллекционных сортообразцов фасоли и выделение исходного материала с высоким симбиотическим потенциалом для создания высокоэффективных растительно-микробных систем.

В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:

- изучить изменчивость и взаимосвязи морфобиологических признаков и симбиотических показателей у коллекционных сортообразцов фасоли в естественных условиях и при взаимодействии с ризобиями и грибами арбуску-лярной микоризы.

- оценить адаптивную способность и стабильность генотипов фасоли в изменяющихся условиях среды;

- изучить биохимические особенности сортообразцов фасоли;

- выделить линии фасоли, сочетающие высокую семенную продуктивность с повышенной симбиотической активностью.

Научная новизна исследований. Впервые в условиях северной части Центрально-Черноземного региона России изучена изменчивость основных морфобиологических признаков и симбиотических показателей сортообразцов фасоли различного эколого-географического происхождения; выделены источники высокой продуктивности и симбиотической активности. Получены новые данные о клубенькообразующей способности и симбиотической деятельности фасоли при инокуляции ризобиями и грибами арбускулярной микоризы. Проведена оценка экологической пластичности, стабильности и адаптивной ценности сортообразцов. Выявлены биохимические особенности генотипов фасоли. Сформированы эффективные сорто-микробные системы. Выявлен селекционный материал с высокой урожайностью и симбиотической активностью.

Практическая значимость. Выделен ценный исходный материал для селекции фасоли на повышение симбиотической активности. Предложен новый подход для создания высокоэффективных растительно-микробных систем, сочетающих высокую семенную продуктивность с отзывчивостью на

инокуляцию штаммами ризобий и грибов арбускулярной микоризы. Выделены линии фасоли, обладающие повышенной семенной продуктивностью в сочетании с отзывчивостью на тройной симбиоз.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты изучения изменчивости и взаимосвязей морфобиологи-ческих признаков и симбиотических показателей у сортообразцов фасоли, позволившие выявить формы, ценные для создания высокоэффективных растительно-микробных систем.

2. Оценка адаптивной способности и стабильности генотипов в изменяющихся условиях среды для выделения форм с высокой продуктивностью и симбиотической активностью.

3. Результаты изучения биохимических особенностей генотипов фасоли.

4. Созданные автором новые линии фасоли, сочетающие повышенную семенную продуктивность и симбиотическую эффективность.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены на Ученых советах ГНУ ВНИИЗБК Россельхозакадемии (2009, 2010, 2011 гг.); региональных научно-практических конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов «Неделя науки» ОрелГАУ (2009, 2010, 2011 гг.); Всероссийской научно-практической конференции «Аграрная наука - сельскому хозяйству» (Курск, 2009); Всероссийской конференции «Ориентированные фундаментальные исследования и их реализация в АПК России» (Сергиев Посад, 2009).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 6 печатных работах, в том числе двух в изданиях, рекомендуемых ВАК.

Личное участие автора в проведении экспериментов составляет 100%. Закладка полевых, вегетационных и лабораторных опытов, анализ и обобщение результатов исследований были проведены автором лично.

Объем и структура диссертации. Диссертация изложена на 135 страницах компьютерного текста, состоит из введения, 6 глав, выводов, реко-

мендаций для селекционной практики, включает 32 таблицы, 13 рисунков и 15 приложений. Список использованной литературы состоит из 200 наименований, в том числе 41 на иностранных языках.

Автор выражает искреннюю благодарность директору ГНУ ВНИИЗБК Россельхозакадемии, доктору сельскохозяйственных наук, профессору Зоти-кову В.И., заведующей лабораторией генетики и биотехнологии, кандидату сельскохозяйственных наук Суворовой Г.Н., заведующему лабораторией селекции зернобобовых культур, кандидату сельскохозяйственных наук Кон-дыкову И.В., ведущему научному сотруднику лаборатории селекции зернобобовых культур, кандидату сельскохозяйственных наук Мирошниковой М.П. за консультации по обсуждаемым в данной работе вопросам.

Автор признателен кандидатам биологических наук, ведущим научным сотрудникам лаборатории генетики и биотехнологии ВНИИЗБК Васильчи-кову А.Г и Гурьеву Г.П. за сотрудничество и помощь в проведении исследований.

ГЛАВА 1. ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ БОБОВЫХ РАСТЕНИЙ С СИМБИОТИЧЕСКИМИ МИКРООРГАНИЗМАМИ (обзор

литературы)

1.1. Бобово-ризобиальиый симбиоз

Растительно-микробные взаимодействия являются одной из интереснейших и сложнейших проблем биологии. В фитоценозах за счет симбиоза с микроорганизмами растения обеспечиваются минеральным питанием, защитой от патогенов и растительноядных животных, а иногда регуляцией развития. Эти функции выполняют различные внутриклеточные симбионты (эндо-микоризные грибы, клубеньковые бактерии), эндофиты тканей надземных и подземных органов (азотфиксаторы Äcetobacter, Azoarcus или спорыньевые грибы) (Лутова, Проворов, Тиходеев, Тихонович, 2000; Белимов, 2008).

Понятие «симбиоза» как феномена совместной жизни разных организмов было впервые предложено швейцарским ботаником А. Де Бари в 1879 году и включало как паразитизм, так и мутуализм. Впоследствии это понятие наполнялось различными значениями, сузившись до мутуалистических отношений (Jacob, 1982). На современном этапе развития знаний симбиоз определяется как долговременное сожительство двух организмов, относящихся к разным видам, которое сопровождается существенным возрастанием экологического потенциала хотя бы одного из партнёров (Тихонович, Проворов, 1998).

Симбиозы интересны как пример специализированных взаимодействий, связанных с глубокими физиологическими адаптациями, а их изучение вносит важный вклад в понимание природы растительно-микробных отношений и их роли в биосфере (Квиспел, 2002).

Из всех типов симбиозов микроорганизмов с растениями наиболее изучен симбиоз бобовых растений с клубеньковыми бактериями (ризобиями), который возник в меловом периоде, то есть 60...70 млн. лет назад - в эпоху дивергенции основных семейств цветковых (Doyle, Doyle, 1997). Это связано с

практической ценностью данного типа симбиоза и относительной легкостью исследования клубеньковых бактерий (Баймиев, 2006).

Ризобии {АгогЫгоЫит, ВгадугЫгоЫит, МеяогЫгоЫит, ЯЫгоЫит, 57-погЫгоЫит) - факультативные симбионты. Большинство бобовых культур может полноценно развиваться за счет питания связанным азотом, а популяции ризобий - стабильно существовать в почве в отсутствии растения-хозяина. При взаимодействии с хозяевами ризобии индуцируют процесс клу-бенькообразования, тесно связанный с основными функциями растений -цитодифференцировкой и органогенезом, азотным и углеродным обменом, защитой от патогенов и регуляцией развития (Тихонович, Проворов, 1998; Проворов, 2009).

Специфические органы фиксации азота - корневые (реже стеблевые) клубеньки образуются в результате взаимодействия бобовых растений с бактериями родов ЯЫгоЫит, Вга&ШгоЫит и АгогЫгоЫит. Наиболее распространенный способ проникновения их в корень - через корневые волоски: бактерии индуцируют закручивание верхушек корневых волосков, затем формируется структура, называемая инфекционной нитью, которая прорастает через корневой волосок и кортекс. Из инфекционной нити высвобождаются бактерии, превращаясь, в составе симбиосом, в азотфиксирующие бактероиды. На некотором расстоянии от растущей инфекционной нити в коре корня индуцируются клеточные деления, дающие начало меристеме и при-мордию клубенька (Курчак, Проворов, Симаров, 1995).

В изучении механизмов симбиоза к настоящему времени достигнуты большие успехи. Инфекционный процесс хорошо исследован на микроскопическом уровне, изучены биохимия, генетика и частично физиология процесса азотфиксации, охарактеризованы многие бактериальные и растительные гены и их продукты, участвующие в симбиозе (Борисов, Цыганов, Колычева, 1994; Овцына, 1997; Сидорова, Шумный, Власова, 1997; Сидорова, Ужинцева, 1992; 1994; Тихонович, Борисов, Цыганов и др., 2004; Федорова, Моржина, Филатов, 1995).

Растительные сигналы регулируют экспрессию микробных генов, участвующих как в ризосферной конкуренции (хемотаксис), так и в специфических взаимодействиях {nod и vir) гены. К настоящему времени в молекулярном диалоге между партнерами по симбиозу наиболее полно охарактеризованы два этапа. Первый этап - это выделение растением сигналов флавоно-идной природы, которые посредством взаимодействия с продуктом регуля-торного гена nod D стимулируют координированную экспрессию nod генов бактерии (Peters et. al., 1986; Firmin et. al., 1993). Второй этап - это синтез продуктами nod генов молекул Nod факторов — олигомеров N - ацетилглюко-замина с различными заменителями, которые вызывают морфологические изменения в корне и стимулируют образование клубенька (Fisher, 1994). Синтез и действие Nod - факторов описаны весьма подробно (Schultze, Коп-dorosi, 1998; Овцына, 1997; Овцына, Тихонович, 2004). Именно Nod факторы во многом определяют специфичность взаимодействия партнеров по симбиозу (Spaink et. al., 1991; Truchet et. al., 1991). Специфичность взаимодействия означает, что каждый растительный штамм способен образовывать эффективно функционирующие клубеньки только на определенном числе видов растений-хозяев. Виды растений, восприимчивые к инфекции одним и тем же видом или биотипом ризобий относятся к одной кросс - инокуляционной группе: Medicago, Melilotus, Trigonella - с Rhizobium melilotï, Trifolium - с Rhizobium bv. trifolii и т.д. В кросс-инокуляционную группу Rhizobium legu-minosarum bv. viciae входят виды родов Lathyrus, Lens, Pisum и Vicia. Внутри кросс-инокуляционной группы гороха существует и более узкая специализация. Так, формы гороха афганского происхождения не заражаются Западно- Европейскими и Северо - Американскими штаммами Rhizobium legu-minosarum (Кругова, Остапенко, Мандровская 1994).

Количество симбиотически фиксируемого азота и его доля в азотном балансе растений зависит от многих генетических и средовых факторов, в том числе от вида растений.

По способности преимущественно формировать урожай за счет определенных источников азота Н.А. Проворов (1996) все бобовые делит на три группы: 1. - с преобладанием автотрофного типа питания азотом (горох, вика посевная, кормовые бобы и др.): эти растения формируют урожай в основном за счёт минерального азота, и вклад биологически фиксированного азота в общем балансе у них не превышает 30%; 2. - без заметного преобладания одного типа питания над другим (фасоль, соя): доля биологического азота в этих растениях составляет от 30 до 60%; 3. - с преобладанием симбиотрофно-го типа питания (клевер, вика мохнатая, козлятник восточный, люцерна посевная): доля биологического азота в этих растениях превышает 50%. По мнению И.А. Тихоновича (2000) такое положение объясняется давностью вовлечения определенного вида растений в культуру.

Одним из факторов, ограничивающих эффективность симбиотической азотфиксации, является её высокая энергетическая стоимость, покрываемая за счет поступающих в клубеньки продуктов фотосинтеза. Бактероиды получают от растения углерод в форме дикарбоновых кислот, расщепляемых в цикле Кребса с целью выработки АТФ. Лимитирующей стадией этого процесса является перенос дикарбоновых кислот через перепактероидную мембрану, осуществляемый бектериальной пермеазой DctA. Введение в клубеньковые бактерии дополнительных копий генов, кодирующих этот фермент, может повысить нитрогеназную активность клубеньков в 1,5...2,0 раза (Bos-worth, 1994). В веге�