Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Биотехнологические аспекты создания исходного материала для селекции зерновых колосовых культур

ВАК РФ 03.00.23, Биотехнология

Содержание диссертации, доктора биологических наук, Иванов, Геннадий Иванович

ВВЕДЕНИЕ.

1. БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ СОЗДАНИЯ ИСХОДНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ СЕЛЕКЦИИ ЗЕРНОВЫХ КОЛОСОВЫХ КУЛЬТУР.

1.1. Проблема создания исходного материала и использования генетических ресурсов диких видов пшеницы и эгилопсов в селекции зерновых колосовых культур.

1.2. Пути расширения генетической изменчивости и использование метода эмбриокультуры для улучшения генофонда зерновых колосовых культур.

1.2.1. Добавление к геному пшеницы целого генома растений родственного или отдаленного вида.

1.2.2. Замещение генома D мягкой пшеницы геномами диплоидных видов пшеницы, эгилопсов и ржи.

1.2.3. Добавление к полному набору хромосом пшеницы отдельной пары хромосом (дополненные линии).

1.2.4. Замещение отдельных хромосом пшеницы хромосомами других видов (замещенные линии).

1.2.5. Замещение отдельных участков хромосом пшеницы участками чужеродных хромосом, несущих гены полезных признаков (транслокации).

1.3. Получение гаплоидов и их использование в качестве исходного материала для селекции растений.

1.3.1. Классификация гаплоидов и методы их получения.

1.3.2. Факторы, влияющие на процессы андрогенеза при культивировании пыльников зерновых культур.

1.3.3. Значение и перспективы использования гаплоидных технологий в селекции зерновых культур.

2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1 Материал и схема получения гибридов, амфидиплоидов, геномно-замещенных форм и гомозиготных линий пшеницы.

2.2 Методы исследования.

3. СОЗДАНИЕ ГЕНОМНО-ЗАМЕЩЕННЫХ ФОРМ МЯГКОЙ ПШЕНИЦЫ, МЕЖВИДОВЫХ И МЕЖРОДОВЫХ АМФИДИПЛОИДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭМБРИОКУЛЬТУРЫ IN VITRO.

3.1. Получение гексаплоидных геномно-замещенных форм {In = 42) пшеницы на основе тетраплоидных компонентов АВ Tr. aestivum L. и диплоидных видов пшеницы, эгилопсов и ржи.

3.1.1. Цитогенетическое изучение межвидовых и межродовых гибридов Т7/, геномно-замещенных форм и их гибридов с мягкой пшеницей.

3.1.1.1. Определение чисел хромосом в соматических клетках межвидовых и межродовых гибридов Fi и геномно-замещенных форм.

3.1.2 Исследование скрещиваемости геномно-замещенных форм с мягкой пшеницей.

3.2. Создание межвидовых и межродовых амфидиплоидов с использованием эмбриокультуры in vitro.

3.2.1.Синтез гомолога мягкой пшеницы с геномным составом AbGD (2л=42).7В

3.2.2. Получение тетраплоидных амфидиплоидов (2п = 28) с различными геномными составами.

3.3. Получение озимых гексаплоидных (2п = 42) форм тритикале.

3.3.1. Влияние генотипа твёрдой пшеницы и ржи на завязывание зёрен.

3.3.2. Влияние генотипа твердой пшеницы и ржи на развитие зародышей в гибридных зерновках.

3.3.3. Влияние генотипа твёрдой пшеницы и ржи на развитие зародышей на питательной среде.

2.3.4. Удвоение генома гибридных растений F/ от скрещивания твердой пшеницы с рожью.

4. ПОЛУЧЕНИЕ ГАПЛОИДОВ И ГОМОЗИГОТНЫХ ЛИНИЙ ПРИ КУЛЬТИВИРОВАНИИ ПЫЛЬНИКОВ ПШЕНИЦЫ И ЭГИЛОПСОВ ДЛЯ СОЗДАНИЯ УСКОРЕННОЙ

ТЕШОЛОГИИШМСЦНОННОГОПЮГРХА.

4.1. Норма реакции образования эмбриоидов и регенерантов при культивировании пыльников различных сортов, видов пшеницы и эгилопсов.

4.1.1. Образование эмбриоидов при культивировании пыльников озимых сортов мягкой пшеницы.

4.1.2. Образование эмбриоидов и регенерация растений при культивировании пыльников яровых сортов мягкой пшеницы.

4.1.3. Изучение видовых особенностей образования эмбриоидов при культивировании пыльников представителей родов Triticum и Aegilops.

4.1.4. Регенерация растений из эмбриоидов у представителей родов пшеницы и эгилопсов.

4.1.5. Оптимизация с использованием метода планирования эксперимента состава питательных сред для получения эмбриоидов при культивировании пыльников озимой мягкой пшеницы и последующей регенерации из них растений.

4.1.6. Оптимизация с использованием метода планирования эксперимента компонентов питательных сред для получения эмбриоидов при культивировании пыльников яровой мягкой пшеницы и последующей регенерации из них растений.

4.1.7. Оптимизация компонентов питательных сред для образования эмбриоидов и регенерации растений при культивировании пыльников диплоидных видов пшеницы Tr. urartu (геном А"), эгилопса А е. squarrosa (геном D) и синтезированного тетраплоидного амфидиплоида 7У. erebuni (AUD).

4.1.8. Получение эмбриоидов и регенератных растений озимой пшеницы при культивировании пыльников гибридов Fi.

4.2. Статистические закономерности образования эмбриоидов при культивировании пыльников сортов и гибридов Fj мягкой пшеницы.

4.3. Идентификация по уровню плоидности регенерантов, полученных при культивировании пыльников пшеницы и эгилопсов.

4.4. Цитоэмбриологическое исследование жизнеспособности микроспор и развития из них эмбриоидов в процессе культивирования пыльников пшеницы и эгилопсов.

4.4.1. Определение жизнеспособности микроспор в процессе культивирования пыльников пшеницы и эгилопсов.

4.4.2. Пути развития микроспор в процессе культивирования пыльников различных видов пшеницы и эгилопсов.

5. СЕЛЕКЦИОННО-ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ИСХОДНОГО МАТЕРИАЛА И ЕГО ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ПРАКТИЧЕСКОЙ СЕЛЕКЦИИ.

5.1. Селекционно-генетическая оценка исходного материала, полученного в результате межвидовой и межродовой гибридизации с применением метода эмбриокул ьту ры.

5.2. Селекционно-генетическая оценка гомозиготных линий озимой пшеницы, полученных при культивировании пыльников гибридов F\.

ВЫВОДЫ.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ДЛЯ СЕЛЕКЦИОННОЙ ПРАКТИКИ.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Биотехнологические аспекты создания исходного материала для селекции зерновых колосовых культур"

Для успешного осуществления современных программ селекции зерновых колосовых культур важное значение имеет проблема поиска и создания нового исходного материала. Значение нового исходного материала особенно возросло в последние годы в связи с приближением к пределу биологической продуктивности зерновых колосовых культур и ограничением генетических ресурсов внутривидовой гибридизации, в особенности по генам устойчивости к болезням и вредителям и по генам качества зерна.

В реализации биологического потенциала урожайности зерновых культур актуальной проблемой является создание нового исходного материала и эффективных методов переноса новых генов устойчивости к грибным, бактериальным и вирусным болезням, генов определяющих высокое содержание и качество белка в зерне в геном растений современных сортов, а также ускоренное получение гомозиготных линий из гибридных популяций в культуре пыльников.

Источником новых эффективных генов для расширения генофонда мягкой пшеницы могут служить ее ближайшие сородичи - диплоидные и тетраплоидные виды пшеницы, а также виды родов Aegilops, Agropyron, Secale, Haynaldia, Elymus и др. Однако перенос генетического материала этих видов и родов в геном мягкой пшеницы традиционными методами селекции осложняется наличием прогамной и постгамной несовместимости.

Для преодоления барьера нескрещиваемости был использован метод эмбриокультуры, а для переноса генов родственных и отдаленных родов в геном мягкой пшеницы был предложен новый метод создания исходного материала. Принципиальное отличие этого метода от других заключается в создании гексаплоидных амфидиплоидов, сочетающих геномы АВ мягкой пшеницы и геномы диплоидных видов пшеницы, эгилопсов, ржи и пырея. Это дает возможность эффективно переносить генетический материал чужеродных диплоидных видов в геном мягкой пшеницы путем скрещивания мягкой пшеницы с гексаплоидными амфидиплоидами различного геномного состава.

В решении проблемы получения гомозиготных линий из гибридных комбинаций для ускорения селекционного процесса основную роль играет разработка методов оптимизации компонентов питательных сред и изучение закономерности образования эмбриоидов и регенерантов при культивировании пыльников пшеницы.

Цель исследования заключалась в создании и изучении геномно-замещенных форм мягкой пшеницы, межвидовых и межродовых амфидиплоидов различного геномного состава, разработке метода переноса чужеродных генов в геном мягкой пшеницы; получении и исследовании гаплоидов и гомозиготных линий в культуре пыльников сортов и гибридов F] мягкой пшеницы для создания ускоренной технологии селекционного процесса.

В связи с поставленной целью решали следующие задачи:

1. Создать гексаплоидные геномно-замещенные формы пшеницы (2п = 42) на основе тетраплоидных компонентов АВ Tr. aestivum L. и диплоидных видов пшеницы, эгилопсов и ржи.

2. Провести цитогенетическое исследование соматических и генеративных клеток гибридов F], геномно-замещенных форм и их гибридов с мягкой пшеницей.

3. Получить тетраплоидные амфидиплоиды (2п = 28) между диплоидными видами пшеницы и эгилопсами секции Sitopsis.

4. С интезировать гомолог мягкой пшеницы с геномным составом AbGD (2п = 42).

5. Исследовать влияние генотипа твердой пшеницы и ржи на развитие гибридных зародышей в культуре in vitro в процессе получения озимых гексаплоидных форм тритикале (2п = 42).

6. Изучить норму реакции образования эмбриоидов и регенерантов в культуре пыльников различных видов пшеницы и эгилопсов.

7. Оптимизировать компонентный состав питательных сред с использованием метода планирования эксперимента для получения максимального количества эмбриоидов в культуре пыльников мягкой пшеницы.

8. Выявить закономерности образования эмбриоидов в культуре пыльников сортов и гибридов F/ мягкой пшеницы.

9. Разработать экспресс-метод определения уровня плоидности по длине замыкающих клеток устьиц регенерантов, полученных в культуре пыльников мягкой пшеницы и эгилопсов.

Ю.Исследовать жизнеспособность, динамику роста и цитоэмбриологические пути развития микроспор в процессе культивирования пыльников различных видов пшеницы и эгилопсов на питательной среде.

Научная новизна. Впервые было получено 27 гексаплоидных геномно-замещенных яровых и озимых форм пшеницы (2п = 42), сочетающих геномы АВ мягкой пшеницы с геномами Аь диплоидных видов пшеницы (7r. boeoticum, Tr. monococcum, Tr. sinskajae)-, геномами S (Ае. speltoides), £> (Ае. scharonensis), U (Ае. umbellulata), If (Ае. uniaristata) диплоидных видов эгилопсов; геномом R (S. cereale).

Впервые создан гомолог мягкой пшеницы Tr. miguschovae с геномным составом AbGD, несущий гены комплексной устойчивости к грибным болезням и легкого обмолота от Tr. militinae.

Впервые получены 7 тетраплоидных амфидиплоидов {In = 28) с различным геномным составом: Ае. speltoides х Tr. sinskajae, (SA1*) Ае. sharonensis х Tr. urartu $Аи), Ае. sharonensis xTr. boeoticum (SlAb), Ae. sharonensis xTr. .monococcum (SlAb), Ae. sharonensis xTr. sinskajae (SlAb), Ae. bicornis xAe. squarrosa (Z>D) и Ae. squarrosa xTr. boeoticum (DAb).

Впервые исследован процесс конъюгации хромосом в мейозе геномно-замещенных форм и их гибридов с мягкой пшеницей и показана возможность прямой интрогрессии генетического материала диплоидных видов пшеницы, эгилопсов и ржи в геном мягкой пшеницы.

Установлена степень влияния генотипов твердой пшеницы и ржи на развитие изолированных гибридных зародышей, созданных с их участием, в процессе их культивирования на питательной среде.

Впервые в одном генотипе первичного амфидиплоида АД Зеленый удалось объединить высокий уровень зерновой продуктивности, высокое содержание белка в зерне и зеленой массе, устойчивость к полеганию и высозимоморозостойкость.

Выявлена наследственная норма реакции образования эмбриоидов и регенерантных растений в культуре пыльников 20 сортов яровой мягкой пшеницы в зависимости от условий выращивания донорных растений (в ростовой камере, теплице и полевых условиях), 23 сортов озимой мягкой пшеницы и 38 образцов диких видов пшеницы и эгилопсов различного геномного состава.

Определены оптимальные сочетания и концентрации фитогормонов в питательных средах для получения максимального количества эмбриоидов и регенерантов от числа инокулированных пыльников озимой (32,5 % и 40,9 %, соответственно) и яровой мягкой пшеницы с геномами ABD (42,8 % и 49,3 %, соответственно), а также видов диплоидной пшеницы Tr. urartu с геномом А" (20,2 % и 15 %, соответственно) и синтезированного тетраплоидного амфидиплоида Tr. erebuni с геномами AD (42,2 % и 10 %, соответственно).

Впервые установлены закономерности образования эмбриоидов в культуре пыльников сортов и гибридов Fj мягкой пшеницы: вариационные ряды значений образования эмбриоидов конкретного сорта или гибрида Ft подчиняются нормальному закону распределения, распределение наборов сортов или гибридов F\ по среднему значению образования эмбриоидов соответствует показательному закону.

На основе статистических параметров (X, а и Sx) распределения длины замыкающих клеток устьиц (ДЗКУ) определены границы доверительного интервала двух независимых выборок генеральной совокупности регенерантов, полученных в культуре пыльников сортов и гибридов F/ озимой мягкой пшеницы: для гаплоидов 33,7-f54,9 мкм, диплоидов 42,5-н78,6 мкм и трансгрессивной совокупности гаплоидов и диплоидов 42,5 н- 54,9 мкм.

Разработан экспресс-метод разделения регенерантных растений по уровню плоидности, позволяющий идентифицировать растения по результатам 3-5 измерений на основе доверительных границ интервалов ДЗКУ без применения цитологической фиксации, окраски и подсчета числа хромосом.

На основании исследования жизнеспособности, динамики роста и цитоэмбриологического пути развития микроспор определен биологический потенциал образования гаплоидов в процессе культивирования пыльников пшеницы и эгилопсов на питательных средах.

Основные положения, выносимые на защиту: 1. а) Гексаплоидные геномнозамещенные формы мягкой пшеницы, (2п - 42), сочетающие геномы АВ мягкой пшеницы с диплоидными видами пшеницы 7У. b b b boeoticum, Tr. monococcum, Tr. sinskajae с геномами A° {AABBA°A°\ эгилопсов Ae. speltoides Ae. scharonensis Ae. umbellulata и Ae. uniaristata с геномами U и If (AABBSS, AABBtftf, AABBUU, AABBlflf), соответственно, и ржи S. cereale с геномом R (AABBRR). б) Гексаплоидный гомолог мягкой пшеницы Tr. miguschovae с геномным составом AbAbGGDD. в) Сорт озимого тритикале АД Зеленый. г) Тетраплоидные амфидиплоиды с различными геномными составами: Ae. speltoides х Tr. sinskajae (SSAbAb), Ae. sharonensis x Tr. boeoticum (£>£>AbAb), Ae. sharonensis x Tr. monococcum lAbAb), Ae. sharonensis x Tr. sinskajae (S>S>AbAb), Ae. sharonensis x Tr. urartu (SlSlAuAu), Tr. urartu x Ae. sharonensis (AUAU№), Ae. squarrosa x Tr. boeoticum (DDAbAb).

2. Метод эффективного переноса генетического материала диплоидных видов пшеницы, эгилопсов и ржи в геном мягкой пшеницы путем её скрещивания с гексаплоидными геномно-замещенными формами различного геномного состава, конъюгации, кроссинговера и возникновения транслокаций в гибридном потомстве в зависимости от наличия родственных локусов в их хромосомах.

3. Составы питательных сред для культивирования пыльников озимой и яровой мягкой пшениц с высоким уровнем образования эмбриоидов и регенерантных растений, оптимизированные по сочетанию и концентрациям фитогормонов.

4. Дигаплоидная линия Лютесценс \6ag-\, полученная в культуре пыльников гибридов Fj мягкой пшеницы и обладающая высокой урожайностью, устойчивостью к грибным болезням и высоким качеством зерна

5. Закономерности образования эмбриоидов в культуре пыльников сортов и гибридов Fj мягкой пшеницы.

6. Экспресс-метод для разделения на гаплоиды и диплоиды регенерантных растений, полученных в культуре пыльников сортов и гибридов F/ озимой мягкой пшеницы, по длине замыкающих клеток устьиц.

Практическая ценность работы заключается в создании 27 гексаплоидных геномно-замещенных озимых и яровых форм с уникальными сочетаниями геномов АВ мягкой пшеницы с геномами Аь трех диплоидных видов пшеницы, геномами четырех диплоидных видов эгилопсов S, S>, U, If и геномом R ржи; одной гексаплоидной озимой формы с геномным составом AbGD (Гг. miguschovae) и 12 тетраплоидных форм с геномными составами: SAb, SfAb, &Аи, DAb, ^D.

Геномно-замещенные формы используются в качестве исходного материала в селекционных программах Краснодарского НИИСХ им. П. П. Лукьяненко для эффективного переноса генов устойчивости к мучнистой росе, бурой, желтой, стеблевой ржавчинам, высокого содержания белка в зерне от диплоидных видов пшеницы, эгилопсов и ржи в геном мягкой пшеницы без участия видов посредников.

С использованием синтезированной формы 7>. miguschovae в Краснодарском НИИСХ им. П. П. Лукьяненко выведено 4 сорта озимой мягкой пшеницы: Жировка, Фишт, Восторг и Ростислав.

Сорт озимого тритикале АД Зеленый входит в родословную 14 сортов тритикале и 2 сортов озимой мягкой пшеницы Краснодарского НИИСХ им. П. П. Лукьяненко, а также 2 сортов озимого тритикале Института сельского хозяйства ЦЧП им. В. В. Докучаева и 1 сорта Северо-Донецкой сельскохозяйственной опытной станции.

Дигаплоидная линия Лютесценс \6ag-\, полученная в культуре пыльников гибридов Fj, обладает уникальным сочетанием генов и может быть использована в скрещиваниях качестве донора высокой урожайности, устойчивости к болезням и качества зерна.

Тетраплоидные амфидиплоиды Ае. speltoides х Tr. sinskajae, Ае. sharonensis х Tr. boeoticum, Ае. sharonensis х Tr. monococcum, Ае. sharonensis x Tr. sinskajae,

Ae. sharonensis х Tr. urartu, Tr. и rartu x Ae. s haronensis использовались в исследовании происхождения геномов мягкой пшеницы (Жиров, 1989), а с помощью амфидиплоидов Ae. bicornis х Ae. squamosa и Ae. squamosa х Tr. boeoticum можно выделять тетракомпоненты BD и AD из генома мягкой пшеницы и создавать уникальные сочетания геномов, не встречающиеся в природе.

Предложенные нами оптимизированные составы питательных сред для культивирования пыльников могут использоваться для массового получения дигаплоидных линий мягкой пшеницы.

Разработанный экспресс-метод позволяет разделять регенерантные растения по ДЗКУ на гаплоиды и диплоиды без применения цитологической фиксации, окраски и подсчета числа хромосом.

Апробация работы. Основные положения работы были доложены и представлены на Всесоюзном совещании по отдаленной гибридизации растений и животных, (Москва, 1981); Международной научной конференции ученых стран-членов СЭВ "Теоретические и прикладные аспекты селекции и семеноводства пшеницы, ржи, ячменя и тритикале", (Одесса, 1981); Всесоюзном совещании "Важнейшие проблемы увеличения производства растительного белка и развития научных исследований в этой области в свете решений XXIV КПСС", (Краснодар, 1981); Всесоюзной конференции "Физиолого-генетические проблемы интенсификации селекционного процесса", (Саратов, 1984); Международного симпозиума "Клеточные и генные биотехнологии для зерновых злаков", (Алма-Ата, 1989); Всесоюзной конференции по сельскохозяйственной биотехнологии, (Целиноград, 1991); III Российском симпозиуме "Новые методы биотехнологии растений", (Пущино, 1995); Международной научной конференции "Актуальные проблемы биотехнологии в растениеводстве, животноводстве и ветеринарии", (Москва 1996); VII Международной научной конференции "Биология клеток растений in vitro биотехнология и сохранение генофонда", (Москва, 1997); Международной научно-практической конференции "Биоресурсы. Биотехнологии. Инновации Юга России", (Пятигорск, 2003); Всероссийской научно-практической конференции "Биотехнология-2003", (Сочи, 2003).

Публикация. Основные положения диссертации изложены в 25 печатных работах, включая авторское свидетельство на сорт озимого тритикале АД Зеленый и монографию.

Личный вклад соискателя. Экспериментальные материалы, представленные в диссертации, планировались, выполнялись, обобщались и регулярно докладывались на отчетных заседаниях Ученого совета Краснодарского НИИСХ им. П. П. Лукьяненко при непосредственном личном участии диссертанта или под его руководством.

В главе 5 диссертации, кроме данных автора диссертационной работы, приведены результаты исследования линий и сортов, полученных с использованием созданного нами исходного материала, и любезно предоставленные научными сотрудниками отдела селекции и первичного семеноводства озимой мягкой пшеницы и тритикале и лаборатории биотехнологии Краснодарского НИИСХ им. П. П. Лукьяненко.

Связь работы с научными программами. Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическими планами НИР Краснодарского НИИСХ им. П. П. Лукьяненко по программе 0.51.104 задания 02.02.Н2 "Разработать и усовершенствовать методы геномной и хромосомной инженерии на основе использования полиплоидных, гаплоидных и анеуплоидных форм" (№ ГР. 01.82.1.064545); по программе 0.74.06 (ГУ) задания 03.02. Т1 "Создать исходные формы и новые сорта с.-х. растений с использованием методов клеточной инженерии"; по программе O.CX.Ol "Сельскохозяйственная биотехнология", задания 01.04.Н1 и Н2. "Разработать и внедрить методы клеточной селекции на устойчивость к стрессовым факторам и главным заболеваниям с.-х. растений и создать технологии для регенерации целых растений на селективных средах для основных с.-х. культур" (№ ГР. 01.86.0 134222); по программе О.СХ.ОЗ. задания 02.02.Н2 "Разработать и применить методы получения форм основных с.-х. культур с измененным числом хромосом и на их основе создать методы геномной и хромосомной инженерии для улучшения селекционного материала и выведения высокопродуктивных и устойчивых сортов" (№ ГР. 01.86.0 134221); международной программе КП НТП СЭВ

5.1.1 задания 5.1.1.1. З.Г'Разработка методов клеточной инженерии с целью создания на их основе исходных форм для селекции"; по программе O.CX.Ol. задания 01.04.Н.04. и Н.06. "Разработка биотехнологических методов получения гомозиготных линий из гетерозиготного материала различных с.-х. культур"(№ ГР. 01.09.10 041559).

Заключение Диссертация по теме "Биотехнология", Иванов, Геннадий Иванович

выводы

1. В результате скрещиваний тетраплоидных форм (А"А"ВВ) четырех сортов мягкой пшеницы Тэтчер, Прелюд, Рескью, Саратовская 29 и пентаплоидной формы озимого сорта Аврора (AUAUBBD) с образцами трех диплоидных видов пшеницы Tr. boeoticum

Ь b b

А ), Tr. monococcum (А ), Tr. sinskajae (A ), четырех диплоидных видов эгилопса Ае. speltoides (S), Ае. sharonensis (tf), Ае. umbellulata (U), Ае. uniaristata (If), тремя сортами ржи (R), выращивания гибридных зародышей in vitro и удвоения геномов у гибридных растений получено 27 геномно-замещенных форм с геномными составами: AuBAb, A"BS, A"BSf, A"BU, AuBlf, AUBR. Все геномно-замещенные формы обладают устойчивостью к мучнистой росе, трем видам ржавчины и повышенным содержанием белка в зерне по сравнению с мягкой пшеницей.

2. Анализ конъюгации хромосом в метафазе мейоза МКП гибридов Fj, полученных от скрещивания тетраплоидных форм мягкой пшеницы с диплоидными видами пшеницы и Ае. speltoides, показал наличие свыше пяти бивалентов на одну материнскую клетку пыльцы, что свидетельствует о высокой степени гомологии хромосом геномов А" и В мягкой пшеницы с хромосомами генома Аь однозернянок и генома SAe. speltoides. Малое количество бивалентов (до 0,3) и мультивалентов в метафазе I мейоза МКП гибридов Fj п-Аврора х Ае. uniaristata и п-Аврора х Ае. umbellulata свидетельствует об отдаленности геномов Aw В мягкой пшеницы и геномов If Ае. uniaristata и UАе. umbellulata. Наличие мультивалентов в метафазе I мейоза МКП геномно-замещенных форм указывает на рекомбинацию генов и возможность образования транслокаций между хромосомами геномов АВ мягкой пшеницы и хромосомами геномов диплоидных видов пшеницы, эгилопсов и ржи, а их количество - на степень родства и вероятность образования транслокаций между геномами АВ мягкой пшеницы геномно-замещенных форм и геномами диплоидных видов пшеницы, эгилопсов и ржи.

3. В результате гибридизации Tr. militinae х Ае. squarrosa и выращивания гибридных зародышей in vitro создан гомолог мягкой пшеницы Tr. miguschovae с геномным составом AbGD, несущий гены комплексной устойчивости к трем видам ржавчины, мучнистой росе и вирусным болезням, повышенного содержания белка в зерне и легкого обмолота. Использование этой формы в качестве исходного материала в селекции позволило создать 4 сорта озимой мягкой пшеницы.

4. В результате межродовых скрещиваний твердой пшеницы с рожью и последующим применением эмбриокультуры и колхицинирования растений в рекордно короткий срок, за 6 лет, был создан сорт озимого тритикале АД Зеленый, на генетической основе которого в дальнейшем было выведено 16 сортов озимого тритикале и 2 сорта озимой мягкой пшеницы.

5. С использованием эмбриокультуры синтезированы тетраплоидные амфидиплоиды с различными геномными составами: Ае. speltoides х Tr. sinskajae (SAb), Ае. sharonensis х Tr. boeoticum (SlAb), Ae. sharonensis x Tr. monococcum (SlAb), Ae. sharonensis x Tr. sinskajae (SlAb), Ae. sharonensis x Tr. urartu ($>AU), Tr. urartu x Ae. sharonensis (Autf), Ae. bicornis x Ae. squarrosa (SbD) и Ae. squarrosa x Tr. boeoticum (DAb), которые могут использоваться для передачи полезных генов в мягкую пшеницу, выделения тетракомпонентов AD и BD из её генома и изучения филогении пшеницы.

6. Выявлена норма реакции по образованию эмбриоидов и регенерантов в культуре пыльников сортов и видов пшеницы и эгилопсов. Среднее за три года значение образования эмбриоидов в культуре пыльников 23 сортов озимой мягкой пшеницы, выращенных в поле, составило 1,0%, (варьирование от 0 до 1,1%), 20 сортов яровой мягкой пшеницы, выращенных в поле, за два года составило 2,5% (варьирование от 0 до 22,2%), выращенных в теплице - 1,55% (варьирование от 0 до 5,2%), выращенных в ростовой камере - 1,0% (варьирование от 0 до 5,8%).

7. Среднее за 2 года значение регенерации растений в процентах от числа эмбриоидов 20 сортов яровой мягкой пшеницы, выращенных в поле, составило 32,7% (варьирование от 0 до 100%). В двухлетних экспериментах по регенерации растений 20 сортов яровой пшеницы, выращенных в теплице и ростовой камере, регенерировать растения из эмбриоидов не удалось, что свидетельствует о нарушении гормонального баланса растений вследствие несоответствия условий (температура, влажность, освещенность, спектральный состав света) теплиц и ростовых камер природным климатическим факторам.

8. Частота образования эмбриоидов в культуре пыльников природных и синтезированных видов пшеницы и эгилопсов детерминирована генотипом и условиями выращивания растений. Диплоидные виды пшеницы и эгилопсов (2п = 14) с геномами A", Ab, B=S, D и тетраплоидные виды пшеницы (2п = 28) с геномами АиВ образуют эмбриоиды с низкой частотой (варьирование от 0 до 6,1%). Тетраплоидные виды с геномами AuAb, AbAb, AUD, AbD, синтезированные из диплоидов, имеют тенденцию к увеличению частоты образования эмбриовдов в культуре пыльников в

2-6 раз (варьирование от 0,9 до 17,3%), по сравнению с показателями диплоидных видов. Присутствие геномовDuGy тетраплоидов с геномами A"D, AbD, AbG, DM, CD и у гексапловдов с геномами AGD способствует еще большему увеличению количества эмбриоидов (варьирование от 1,7 до 28,3%).

9. Регенерация растений в культуре пыльников природных и синтезированных видов пшеницы и эгилопсов также находится под контролем генотипа и условий выращивания растений. Диплоидные виды с геномами А", Аь и тетраплоидные виды с геномами АиВ образуют регенераты с низкой частотой (от 0 до 50% от числа эмбриоидов). Тетраплоидные виды с геномами AUD, AbD, и А А образуют в

3-27 раз больше регенерантных растений (от 20 до 106,9% от числа эмбриоидов), по сравнению с диплоидными видами, из которых они синтезированы. Наличие геномов D и G у тетраплоидных видов пшеницы и эгилопсов с геномами DM, AbG, CD и у гексаплоидов с геномом AbGD детерминирует высокий уровень регенерации растений из эмбриоидов (от 18 до 134%).

10. Выбор в качестве основных факторов фитогормонов 2,4-Д, а-НУК и кинетина для оптимизации питательной среды и использование метода математического планирования эксперимента по плану Хартли позволили увеличить частоту образования эмбриоидов в культуре пыльников озимой пшеницы с концентрациями 2,4-Д - 2,5 мг/л, а-НУК - 0,75 мг/л, кинетина - 0,5 мг/л в 10 раз (с 3,3 до 32,5%), яровой пшеницы с концентрациями 2,4-Д - 0,75 мг/л, а-НУК

ОД мг/л, кинетина - 0,75 мг/л - в 15 раз (с 2,9 до 42,8%).

11. Установлены закономерности образования эмбриоидов в культуре пыльников сортов и гибридов Fj мягкой пшеницы: вариационные ряды значений по образования эмбриоидов конкретного сорта или гибрида Fj подчиняются нормальному закону распределения; распределение наборов сортов или гибридов Fj по среднему значению образования эмбриоидов соответствует показательному закону.

12. Выявлены статистические параметры (х, о и Sx) распределения длины замыкающих клеток устьиц и определены границы доверительного интервала двух независимых выборок генеральной совокупности регенерантов, полученных в культуре пыльников сортов и гибридов F] озимой мягкой пшеницы, на основе которых определены доверительные границы интервалов для гаплоидов 33,74- 54,9 мкм, диплоидов 42,5-г 78,6 мкм и трансгрессивной совокупности гаплоидов и диплоидов 42,5 + 54,9 мкм.

13. На основе выявленных статистических параметров распределения по длине замыкающих клеток устьиц разработан экспресс-метод разделения регенерантных растений по уровню плоидности, позволяющий идентифицировать растения по результатам 3-5 измерений ДЗКУ без применения цитологической фиксации, окраски и подсчета числа хромосом.

14. Исследование жизнеспособности, динамики роста и цитоэмбриологического пути развития микроспор позволило определить биологический потенциал образования гаплоидов в процессе культивирования пыльников пшеницы и эгилопсов на питательных средах, который может составлять до 20 эмбриоидов и около 15 регенерантов на 1 культивируемый пыльник.

15. В результате исследований, представленных в диссертационной работе, был получен исходный материал, использование которого в селекционных программах Краснодарского НИИСХ им. П. П. Лукьяненко, НИИСХ ЦЧП им. В. В. Докучаева и Северо-Донецкой сельскохозяйственной опытной станции позволило создать 6 сортов озимой мягкой пшеницы и 16 сортов озимого тритикале.

ПРЕДЛОЖЕНИЯ ДЛЯ СЕЛЕКЦИОННОЙ ПРАКТИКИ

1. Для постоянного пополнения генофонда мягкой ишеппцы новыми генами устойчивости к болезням, вредителям и качества зерна от отдаленных и родственных видов рекомендуется в процессе гибридизации использовать метод эмбриокультуры, позволяющий получать уникальный исходный материал.

2. Для эффективного переноса генетического материала диплоидных видов пшеницы, эгилопсов и ржи в геном мягкой пшеницы предлагается использовать в скрещиваниях геномно-замещеппые формы с геномными составами AABBAhA'\ AABBSS, ЛЛВВ№, AABBUU, AABBUV и гомолог мягкой пшеницы Tr. miguschovae (AhAhGGDD).

3. Для ускорения селекционного процесса и получения гомозиготных линий в гибридных комбинациях мягкой пшеницы и тритикале предлагается использовать метод культуры пыльников.

4. Для получения максимального количества эмбриоидов и регенерантов в культуре пыльников рекомендуются оптимальные сочетания и концентрации фитогормонов в питательных средах.

5. Предлагается экспресс-метод для разделения регенерантов по уровню плоидности, позволяющий по результатам 3-5 измерений длины замыкающих клеток устьиц идентифицировать гаплоидные п диплоидные растения без применения цитологической фиксации, окраски ткани и подсчета числа хромосом.

6. Дли идентификации уровня плоидности регенерантов, полученных в культуре пыльников гибридов F; озимой мягкой пшеницы, рекомендуется использован, следующие границы доверительного интервала: для гаплоидов 33,7^-54,9 мкм. диплоидов 42,5ч- 78,6 мкм и трансгрессивной совокупности гаплоидов и диплоидов 42,5 ^ 54,9 мкм.

Библиография Диссертация по биологии, доктора биологических наук, Иванов, Геннадий Иванович, Краснодар

1. Банникова, В. П. Цитоэмбриология межвидовой несовместимости у растений / В. П. Банникова Киев.: Наукова думка, 1975. - 284 с.

2. Барашкова, Э. А. Связь морозостойкости с геномным составом пшеницы / Э. А. Барашкова, Е. Н. Алексеева, Э. Ф. Мигушова // Генетика. 1977.-Т. 13, № 10.-С. 1694-1700.

3. Барашкова, Э. А. Формирование морозостойкости у пшеницы и её сородичей в связи с изменением климата земли / Э. А. Барашкова, Н. Л. Басаргина // Тр. по прикл. бот., ген. и селек. 1981. - Т. 71, № 1. - С. 3-15.

4. Батыгина, Т. Б. Проблемы морфогенеза in vitro и in vivo. Эмбриогенез у покрытосемянных растений / Т. Б. Батыгина, В. Е. Васильева, Г. В. Маметьева // Ботанический журнал 1978. - Т. 63, № 1. - С.87 -111.

5. Батыгина, Т. Б. Хлебное зерно. Атлас / Т. Б. Батыгина. Л. : Наука, 1987.- 103 с.

6. Брежнев, Д. Д. Сбор, хранение и использование мировых растительных ресурсов в СССР / Д. Д. Брежнев // Изв. АН СССР Сер. биол. наук. -1975.-№4.-С. 477-502.

7. Вавилов, Н. И. Избранные сочинения. Генетика и селекция / Н. И. Вавилов. М.: Колос, 1966, 359 с.

8. Васильев, С. В. Изучение закономерностей получения дигаплоидных растений пшеницы для создания нового селекционного материала : автореферат дис. канд. с.-х. наук : 06.01.05 / Васильев Сергей Владимирович. Новосибирск, 1996. - 16 с.

9. Внучкова, В. А. Получение гаплоидов и фертильных андрогенетических линий пшеницы при посадке пыльников ин витро : Состояние и развитие с.-х. биотехнологии / В. А. Внучкова и др.. JL, 1986. - С. 74-82.

10. Внучкова, В. А. Создание перспективных линий яровой пшеницы при использовании метода гаплоидии in vitro / В. А. Внучкова, А. В. Анащенко // Докл. РАСХН. 1993. - №1. - С. 12-15.

11. Высоцкая, И. Б. Культура пыльников in vitro в селекции тритикале : автореф. дис.канд. биол. наук : 03.00.23 / Высоцкая Инна Борисовна. Ставрополь, 2002. - 22 с.

12. Гандилян, П. А. Новый вид тетраплоидной пшешцы-Triticum erebuni Gandill / П. А. Гандилян // Бюл. ВИР / ВИР. 1984. - Вып. 142. - С. 77-78.

13. Гандилян, П. А. Новый межвидовой амфидиплоид Aegilops tauschii Coss. х Triticum urartu Thum. ex Gandill / П. А. Гандилян, Ж. О. Шакарян, Э. А. Петросян // Докл. АН Арм. ССР. 1983. - Т. 76, №3. - с. 141.

14. Гешеле, Э. Э. Основы фитопатологической оценки в селекции растений. Изд. 2-ое, перераб. и доп. / Э. Э. Гешеле. М.: Колос, 1978. - 208 с.

15. Гирко, B.C. Преодоление постгамных барьеров несовместимости при отдаленной гибридизации злаков / В. С. Гирко // Докл. РАСХН. 1996. -№1.-С. 4-7.

16. Гмурман, В. Е. Руководство к решению задач по теории вероятности и математической статистике / В. Е. Гмурман. М. : Высшая школа, 1975.-333 с.

17. Голубовская, И. Н. Генетическая регуляция гомологической конъюгации и сегрегации хромосом : генетика, биохимия и цитология мейоза / И. Н. Голубовская. М., 1982. - с. 18-24.

18. Горбунова, В. Ю. Андрогенез в культуре изолированных пыльников злаков: цитолого-эмбриологические аспекты / В. Ю. Горбунова, Н. Н. Круглова, Т. Б. Батыгина // Успехи современной биологии. 1993. - Т. ИЗ, вып. 1.-С. 19-35.

19. Давоян, Р. О. Геномно-замещенная форма Авродес как источник устойчивости растений мягкой пшеницы к листовой ржавчине и мучнистой росе / Р. О. Давоян, Е. Г. Жиров // Сельскохозяйственная биология. 1995. -№1. - С. 98-101.

20. Давоян, Р. О. Новые формы для селекции мягкой пшеницы / Р. О. Давоян//Селекция и семеноводство.- 1991.-№4. -С. 29-31.

21. Даофень, X. Длина замыкающих клеток устьиц как показатель плоидности растений Triticum aestivum L., полученных методом культуры пыльников / X. Даофень, Л. Чунхон, Л. Дханпин // Изв. ТСХА. 1991. - Вып. 3. - С. 53-57.

22. Державин, А. И. Результаты работ по выведению многолетних сортов ржи и пшеницы / А. И. Державин. М. : Изд-во АН СССР, 1938. - С. 663-665.

23. Дидусь, В. И. О методах и результатах селекционной работы академика В. Я. Юрьева : Достижения отечественной селекции / В. И. Дидусь. -М.: Агропромиздат, 1967. С. 114-118.

24. Дмитриева, Н. Н. Взаимодействие фитогормонов в процессе индукции клеточных делений / Н. Н. Дмитриева. М.: ИФР АН СССР, 1981. - С. 150-151.

25. Дорофеев, В. Ф. Система рода Triticum L. / В. Ф. Дорофеев, Э. Ф. Мигушова // Вестник с.-х. науки. 1979. -№2. - С. 18-27.

26. Дьячук, П. А. Получение гаплоидных растений яровой мягкой пшеницы саратовских сортов в культуре пыльников / П. А. Дьячук, Т. И. Дьячук, С. В. Кудашкина // Доклады ВАСХНИЛ. 1986. - №10. - С. 3-5.

27. Дьячук, Т. И. Использование культуры пыльников в создании гомозиготных пшеничных линий / Т. И. Дьячук : докл. на всесоюзн. конф. растениеводов РСФСР. НПО Элита Поволжья. Саратов, 1987. -С. 19-21.

28. Дьячук, Т. И. Культура пыльников злаков: современное состояние, проблемы, перспективы / Т. И. Дьячук, П. А. Дьячук // Сельскохозяйственная биология. 1989. - №5. - С. 3-10.

29. Жамбакин, К. Ж. Гаплоидная технология селекции пшеницы казахстанских агроэкотипов : автореф. дис. канд. с.-х. наук : 03.00.23 / Жамбакин Кабыл Жапарович. п. Алмалыбак, 1992. - 23 с.

30. Жамбакин, К. Ж. Частота образования эмбриоидов и каллусов у различных сортов яровой пшеницы в культуре пыльников / К. Ж. Жамбакин : матер. Междунар. конф. «Биология и биотехнология», Новосибирск, 1988.-С. 18.

31. Жебрак, А. Р. Получение амфидиплоидов твердой пшеницы и однозернянок действием колхицина / А. Р. Жебрак // Докл. АН СССР. 1939.-Т. 25, №1.-С. 54-56.

32. Жиров, Е. Г. Геномная инженерия у пшеницы / Е. Г. Жиров, Т. К. Терновская // Вестник с.-х. науки. 1984. - №10. - С. 58-66.

33. Жиров, Е. Г. Геномно-замещенные формы пшеницы / Е. Г. Жиров, Т. К. Терновская, Г. И. Иванов // Селекция и генетика пшеницы : сб. науч. тр. КНИИСХ. Краснодар, 1985. - С. 84-102.

34. Жиров, Е. Г. Наследование хромосом генома D в потомстве пентаплоидов пшеницы. I. Анализ беккроссов / Е. Г. Жиров, Т. К. Терновская//Генетика.- 1979.-Т. 15, № 1,-С. 120-130.

35. Жиров, Е. Г. Новая форма гексаплоидной пшеницы / Е. Г. Жиров, Г. И. Иванов // Доклады ВАСХНИЛ. 1981. -№1. - С. 8-9.

36. Жиров, Е. Г. Синтез новой гексаплоидной пшеницы / Е. Г. Жиров // Тр. по прикл. ботан., генет. и селекции / ВИР. 1980. - Т. 68, вып. 1. - С. 14-16.

37. Жученко, А. А. Роль растениеводства в век биологии и экономики знаний А. А. Жученко // Вестник РАСХН. 2006. - №1. - С. 3-6.

38. Зайцева, М. И. Использование размера анатомических элементов для выявления гаплоидов кукурузы : Апомиксис и цитоэмбриология растений / М. И. Зайцева. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1968. - С. 142-149.

39. Зарубайло, Т. Я. Генетические предпосылки создания продуктивных сортов зерновых культур / Т. Я. Зарубайло // Тр. по прикл. ботан., генет. и селекции. 1977.-Т. 58, вып. 1.-С. 3-11.

40. Зарубайло, Т. Я. Экспериментальное получение форм сельскохозяйственных растений, ценных в сельскохозяйственном отношении / Т. Я. Зарубайло, Э. В. Таврин // Тр. по прикл. ботан., генет. и селекции. 1977. - Т. 59, вып. 3. - С. 103-107.

41. Иберла К. Факторный анализ / К. Иберла. -М.: Статистика, 1980. 398 с.

42. Иванов, Г. И. О таксономическом статусе синтетических аллогексаплоидов пшеницы с геномным составом АЬА"В / Г. И. Иванов // Сельскохозяйственная биология. 1985. -№1. - С. 35-39.

43. Иванов, Г. И. Амфидиплоид с геномами DA / Г. И. Иванов // Бюллетень ВИР / ВИР. 1984. - Вып. 142. - С. 79-80.

44. Иванов, Г. И. Амфидиплоиды, полученные на основе тетракомпонентов ААВВ Triticum aestivum L. и диплоидных видов пшеницы / Г. И. Иванов, В. В. Корунчикова // Доклады ВАСХНИЛ. -1981.-№3.-С. 3-5.

45. Иванов, Г. И. О таксономическом статусе синтетических аллогексаплоидов пшеницы с геномным составом АьАиВ / Г. И. Иванов // Сельскохозяйственная биология. 1985. - №1. - С. 35-39.

46. Иванов, Г. И. Оптимизация питательной среды для культивирования пыльников пшеницы / Г. И. Иванов, А. С. Раджу : материалы Всесоюзн. научн. конф. по сельскохозяйственной биотехнологии, Целиноград, 25-28 июня 1991.-Целиноград : ЦСХИ, 1991.-С. 55-56.

47. Иванов, Г. И. Результаты и направления биотехнологии в селекции пшеницы / Г. И. Иванов и др. тез. докл. 3-го Российского симп. "Новые методы биотехнологии растений" 23-25 мая 1995 г. Пущино. 1995.-С. 67-68.

48. Иванов, Г. И. Создание амфидиплоидов на основе тетракомпонентов АВ Triticum aestivum L. и их цитогенетическое изучение : дис. канд. биол. наук : 03.00.15 / Иванов Геннадий Иванович. Л., 1984. - 178 с.

49. Иванов, Г. И. Результаты исследований по культуре ткани пшеницы в Краснодарском НИИСХ / Г. И. Иванов и др. //Науч. тр. КНИИСХ : Юбил. вып. посвящ. 95-летию со дня рожд. акад. П. П. Лукъяненко. -Краснодар. 1996.-С. 217-224.

50. Иванов, Г. И. Создание исходного материала для селекции зерновых колосовых культур биотехнологическими методами / Г. И. Иванов. -Краснодар : КубГАУ, 2006. 278 с.

51. Иванов, М. А. Экспериментальное получение гаплоидов у Nicotiana rustica / М. А. Иванов // Изв. биол. геогр. НИИ при Вост. - Сиб. гос. ун-те / - 1937. - Т. 7, №3 - 4. - С. 71-156.

52. Использование геномно-замещенных форм в селекции мягкой пшеницы / Р. О. Давоян и др. // Пшеница и тритикале: материалы научно-практич. конф. «Зеленая революция П. П. Лукьяненко», Краснодар, 28-30 мая 2001, Краснодар, 2001. С. 517-526.

53. Использование методов биотехнологии в селекции риса : состояние и развитие сельскохозяйственной биотехнологии / Л. А. Кучеренко и др.. -М., 1986.-С. 92-96.

54. Карпеченко, Г. Д. Полиплоидные гибриды Raphanus sativus L. х Brassica olereaceae L. / Г. Д. Карпеченко // Тр. по прикл. ботан., генет. и селекции. 1927. - Т. 17, вып. 3. - С. 306-408.

55. Карпеченко, Г. Д. Экспериментальная полиплоидия и гаплоидия : теоретические основы селекции растений / Р. Д. Карпеченко. М. : Сельхозгиз, 1935. - С. 397-434.

56. Каспарян, А. С. Новый амфидиплоид однозернянки Triticum monococcum Hornemanii Сеет х персидской пшеницы Triticum persicum fuliginosum Zhuk/ А. С. Каспарян // Докл. АН СССР. 1940. -Т. 26, №2.-С. 170-173.

57. Кефели, В. И. Гормональная регуляция роста растений : рост и устойчивость растений / В. И. Кефели. Новосибирск, 1988. - С. 5-9.

58. Кефели, В. И. Рост растения и природные регуляторы / В. И. Кефели // Физиология растений. 1978. -Т. 25, вып. 5. - С. 975-981.

59. Кильчевский, А. В. Генетико-экологические основы селекции растений /А. В. Кильчевский // Вестник ВОГиС. 2005. - Т. 9, № 4. - С. 518-526.

60. Кириченко, Ф. Г. Методы выведения сортов озимой мягкой и твердой пшеницы для степи Украины : достижения отечественной селекции /Ф. Г. Кириченко.-М., 1967.-С. 101-113.