Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Использование идентифицированной генетической коллекции мутантных форм томата для создания исходного селекционного материала по признаку холодостойкости

ВАК РФ 06.01.05, Селекция и семеноводство

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Козлова, Валерия Михайловна, Москва

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ--ШСТИТУТ СЕЛЕКЦИИ -И СЕМЕНОВОДСТВА -ОВОЩНЫХ КУЛЬТУР

На правах рукописи

КОЗЛОВА Валерия Михайловна

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИДЕНТИФИЦИРОВАННОЙ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ КОЛЛЕКЦИИ МУТАНТНЫХ ФОРМ ТОМАТА ДЛЯ СО-ЗДАНИЯ ИСХОДНОГО -СЕЛЕКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ПО ПРИЗНАКУ ХОЛОДОСТОЙКОСТИ

Специал;ьшс ть --06 - -01 .-05 - --©©лекция -4? -&еменв&одет&о

Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научный руководитель: доктор с.-х.н., профессор,

член-корреспондент АН РМ БАЛАШОВА H.H.

МОСКВА - 4909

- 2 -СОДЕРЖАНИЕ

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

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ .......................................... 9

2. УСЛОВИЯ, МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.................... 48

3. ХОЛОДОСТОЙКОСТЬ МАРКЕРНЫХ -МУТАНТОВ ТОМАТА.................

3.1. Холодостойкость спорофита мутантов томата ............... 62

3.2. Холодостойкость спорофита исходной и отобранной популяций мутантных форм и сортов томата по депрессии проростков ....................................... 73

3.3. Холодостойкость мутантов томата на уровне мужского ..гаметофи-та........................................... 77

3.3.1. Жизнеспособность микрогаметофита изученных образцов мутантов томата ................................ 77

3.3.2. Жизнеспособность и холодостойкость пыльцы исходных и отобранных по спорофиту образцов томата ...... 78

4. НАСЛЕДОВАНИЕ ПРИЗНАКА ХОЛОДОСТОЙКОСТИ ■ -У ГИБРИДОВ Ft МЕЖДУ рГ-А-НТНадИ -Ф0Р4ШШ-Й-У ЖТРШЙДОШХ 4ЖРИД0В ТОМАТА Fi ................................................. 83

4.1. Наследование устойчивости спорофита к пониженной температуре у гибридов Fi мутантных форм томата ...... 83

4.2. Наследование устойчивости пыльцы к пониженной температуре у гибридов F-i мутантных форм томата......... 86

4.3. Характеристика гибридов F-i мутантов томата по некоторым хозяйственно ценным признакам ................... 93

4.4. Холодостойкость по депрессии проростков у гибридов

томата Fi с L. esc.var.racemigerum....................... 96

4.5. Изменчивость холодостойкости микрогаметофита у гибридов томата F-i с L.esc.var.racemigerum................-99

4.6. Характеристика линий 1-4 и гибридов F-! с L.esc.var. racemigerum по реакции мужского гаметофита и спо-

рофита на действие низкой положительной температуры ..... 101

5. эффективность селекции ХОЛОДОСТОЙКИХ- форм.. мутантов

томата т-тшшш б-аметофйту............................. 166

5.1. Действие пониженной температуры на пыльцу мутант-ных форм томата, Микрогаметофитный отбор на холодостойкость ............................................. 106

5.2. Холодостойкость спорофита у гибридов томата Еь полученных при опылении термообработанной пыльцой ...... 114

5.3. Хрлодостойкость микрогаметофита у гибридов томата Еь полученных при опылении термообработанной пыльцой ..................................................... 117

6. методы рсй (п0лимеразн0й ценной реакции) и блот-гибри-

дизации для изучения активности -г-енш ХОЛОДОСТОЙКОС -

ти у отобранных маркерных линий томата и гибридов ¥1 ________119

выводы..............................................................................................................1£4

рекомендации ..................................................................................................126

литература......................................................................127

приложение......................................................................................................161

- 4 -ВВЕДЕНИЕ

Томат (Ьусорегзгсоп езсиЪеШш ШИ.)—наиболее распространенная культура семейства пасленовых. Каждая седьмая тонна собранного на земном шаре урожая овощей - томаты, а удельный вес их в общем объеме переработки плодоовощного сырья достигает 80% (Пивоваров и др., 1998). Плоды томата отличаются высокими питательными, вкусовыми и диетическими свойствами.

Как .известно, -иекжчит-ельная-ценшсцъ -анодов -тетт-а-закдача-ется в том, что они содержат факторы добавочного питания: -витамины, органические кислоты, минеральные соли, необходимые для лучшего обмена веществ, повышения аппетита. В плодах содержится 5-8% сухого вещества, из которых около 50% приходится на сахара, 0.6-1.1% белка, 0.4-0.9% органических кислот, 0.2% жиров и эфирных масел, 20--45 мг% витамина С, 0.5-2.2 провитамина А (р-каротин), 0.04-0.16 В! (тиамина), 0.05-0.06 В2 (рибофлавина), 0.43 - 0.53 РР (никотиновая кислота), 0.3 мг% ликопина, а также в небольших количествах витамина В9 (фолиевая кислота) и Н (биотин). Минеральных солей содержится (мг%): натрия -40, калия 260-297, кальция 11-14, магния 12-20, фосфора 26-35, хлора-40, серы 14, следы марганца, железа, меди, цинка, фтора, йода. В плодах некоторых форм находится томатин (3-5 мг%), что и определяет их фитонцидные свойства.

Продолжает оставаться актуальной проблема полного и равномерного в течение года обеспечения населения овощами, в том числе и томатами.

В России, особенно в Нечерноземной зоне, возделывание томата в открытом грунте стало возможным только после осеверения этой культуры. Выдающаяся роль в этом принадлежит ученым Грибовской овощной се-лекционн-ой-станций. --На -основе -новых -метедев --©ценки я подбора соответствующего исходного материала академиком -А.В.Ал-патьевым были получены скороспелые и холодостойкие сорта томата -Алпатьева-905А, Грунтовый грибовский 1180 и другие, которые стали

возделывать на 300 км севернее порога холодостойкости этой культуры.

Выведение скороспелых, холодостойких, дружно созревающих сортов томата - одно из основных направлений селекции. В Нечерноземной зоне России урожай томатов, как правило, зависит от скороспелости сорта, у которого в короткие сроки проходят первые этапы развития и от его холодостойкости. Такие сорта необходимы и для южных регионов, так как они обеспечивают получение более ценного раннего урожая.

Практический интерес представляет создание сортов, способных быстро прорастать при пониженной температуре. При более коротком периоде посев-всходы повышается скороспелость при возделывании рассадным способом. Однако, в холодные годы и относительно холодостойкие сорта сильно снижают урожай зрелых плодов, созревание их запаздывает. Позднее созревание не только в северной, но и в средней полосе России приводит к тому, что много плодов остается в поле или их убирают недозревшими.

Признак холодостойкости томата рассматривается и как способность завязывать плоды при низких положительных температурах. При похолодании в раннеосенний и зимний периоды (в теплицах) нередко снижается урожайность у большинства сортов. Поэтому до сих пор проблема выведения более холодостойких томатов остается актуальной. Наличие идентифицированного исходного материала является одним из важнейших условий ускорения селекционного процесса. Идентифицированный генофонд дает возможность решения теоретических и практических задач селекции. Использование мутантов является одним из методов, еще недостаточно применяемым в селекционной практике. В настоящее время моногенные мутанты стали чаще использоваться в качестве новых источников зародышевой плазмы для генетического улучшения сортов томата (Жученко, 1973; Авдеев, 1982; Т^сйеХааг, 1986). При создании сортов с компактным габитусом куста вовлекаются в работу мутанты Ьг, й, ср1 и другие. Особое значение имеют му-

тантные гены j, j-2, j2in, обусловливающие отрыв плода от плодоножки. Создавая компактные растения для теплиц, используют мутант bis (генетически контролируемый комплекс совместно возникающих признаков).

В гибридном семеноводстве для создания материнских компонентов с мужской стерильностью используются мутанты sl, ex, ps, ms, a также большое число генов-маркеров - a, aw, е, с, bs и другие. В селекционных программах также имеют значение мутантные гены, положительно или отрицательно влияющие на число цветков - s (сложное соцветие) и bi (двувильчатое соцветие). Используя эти маркеры, можно прдуыить..растения х: .дцыим соцветием, ..имеющим ... достаточно большое число плодов, что будет способствовать их одновременному созреванию. Кроме того, подобные формы могут успешно применяться для получения гибридных семян.

Значительная часть мутантов может широко использоваться в селекционной работе в качестве источников таких ценных признаков, как высокое содержание р-каротина (мутант В), детерминантный габитус куста ( мутант sp), продолжительное время созревания и леж-кость плодов (мутанты г In и nor) и другие. Благодаря генам и и tig, которые препятствуют образованию зеленого пятна у плодоножки плода и придают ему равномерную окраску, обеспечиваются высокие показатели качества плодов. Мутант ер (легко отделяемая кожица плода) широко применяется при создании сортов, используемых в консервной промышленности.

Наряду с качественными признаками, которые контролируются мо-ногенно, к категории хозяйственно ценных признаков относится ряд количественных. В случае, когда показатели мутантов касаются хозяйственно ценных количественных признаков (таких как средний вес плода, содержание сухого вещества и др.), они приобретают уже практическое значение, хотя реже применяются для практического использования в селекции, к ним относится и признак холодостойкости.

Результаты, полученные в селекции растений в течение послед-

них четырех десятилетий, неопровержимо доказывают большую ценность мутантного генофонда. Следовательно, применение имеющихся мутант-ных (маркерных) форм для увеличения генетического разнообразия и поиска среди них новых геноисточников для создания исходного материала на холодостойкость является весьма актуальным для Нечерноземья России.

Невостребованность идентифицированной маркерной коллекции для использования в селекционных программах по созданию холодостойких сортов томата для потребления в свежем виде и в пищевой промышленности связана с отсутствием информации о холодостойкости самой коллекБрш-по. этому показателю.

Исходя из вышеизложенного, целью исследований является выделение форм томата в генетической коллекции мутантов - источников холододтойкости по спорофиту и мужскому гаметофиту для создания новых холодостойких сортов томата в Нечерноземье России.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие радачи:

1.' Оценить маркерные формы томата по признаку холодостойкости на уровне спорофита,

2. Оценить выделенные формы томата по холодостойкости микро-гаметофрта.

3. Получить гибриды Fi. между маркерными формами томата, а также гибриды между маркерными формами томата и L. esculentum var.racemigwrum (Lange) Brezh. для изучения генетики холодостойкости.

4. Оценить гибриды по признаку холодостойкости спорофита и мужского гаметофита, определить наследование холодостойкости у гибридов Fi.

5. Определить эффективность селекции по признаку холодостойкости методом индивидуально-группового отбора по спорофиту и мик-рогаметофиту.

6. Усовершенствовать методику гаметной селекции и апробиро-

вать ее путем селекции на уровне микрогаметофита.

Научная новизна и практическая значимость исследований заключается в том, что было показано, что признак холодостойкости у томата корррелирует-ея -как-ддврнши, так ж-щтопдазматичеемош тенями, а также их взаимодействием. Использование генетической коллекции мутантов томата позволило определить, что признак холодостойкости контролируется генами 2-й, 7-й, 9-й хромосом, сцепленными с генами устойчивости к кладоспорно.зу да-20) и фитофторозу (РЗа), с генами мужской стерильности (тБ-2, тз-10) и биохимическими маркерами пероксидазы-2,-3 (Ргх-2,3). Выявлен доминантный характер наследования признака холодостойкости у гибридов томата

Выявлены генетические различия по холодостойкости мужского гаметофита у исходных и отобранных популяций мутантных форм томата при воздействии на их пыльцу пониженной температурой (+6°С).

Выделены источники холодостойкости томата по спорофиту и мужскому гаметофиту у генетически маркированных форм. Выделены перспективные по признаку холодостойкости спорофита и микрогаметофита гибриды ¥1 с Ь. езс. уаг. гтетщетш. Методами молекулярного анализа показана эффективность селекции линий и гибридов томата

- s -

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1. ртда-НАЯ КОЛЛЕКЦИЯ ТОМАТА КАК -ИСТОЧНИК ГЕНЕТИЧЕСКОГО РАЗНООБРАЗИЯ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ИСХОДНОГО СЕЛЕКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА.

Узкие пределы генетического разнообразия экологической устойчивости, например к температурному стрессу, по мнению Grafius (1981), явились главной причиной того, что за последние 50 лет не достигнуто существенного повышения верхнего уровня толерантности к указанному фактору у.основных сельскохозяйственных культур.

Установлено, что экологическая устойчивость в растительном мире относится к числу наиболее дефицитных хозяйственно ценных признаков. Поэтому в селекции большое внимание должно быть уделено поиску, сохранению, идентификации и использованию соответствующих геноисточников. При создании генофондов следует исходить из того, что не только каждый вид, но даже экотип и биотип уникальны по своим приспособительным реакциям -к конкретным условиям внешней среды. Следовательно, создание устойчивых к стрессовым температурам сортов и гибридов томата является одним из важнейших условий реализации их потенциальной продуктивности. По мнению Удовенко (1988), одним из путей решения этой задачи является использование в качестве исходного материала форм растений с генетически закрепленным высоким уровнем устойчивости к определенному экстремальному фактору.

Учение Н.И.Вавилова о виде растений как о подвижной морфофк-зиологической системе позволило поставить на службу селекции все мировое растительное разнообразие. В настоящее время создание и сохранение идентифицированных генетических коллекций - необходимое условие дальнейшего повышения эффективности селекционно-генетических исследований. Крупные коллекции мутантов по культурам созданы в Болгарии, Германии, США, но эти банки-генов не всегда имеют идентифицированные маркерные локусы, хотя именно наличие разнесенных по хромосомам генов, отвечающих за морфологические, адаптаци-

онные и хозяйственные признаки, необходимы для исследований.

В настоящее время во всем мире томаты - одна из основных овощных культур (Hille, Koornneef et al., 1989). Среди цветковых растений томат - исключительно информативный объект. У этой культуры наиболее полно изучены генетические карты хромосом. Сцепление генов у томата описано, начиная с рассвета классической генетики в начале этого века. С тех пор спонтанные и индуцированные мутанты были собраны, а мутантные гены систематически картированы. Наибольшее увеличение картированных локусов произошло после введения RFLP-маркеров. С середины 1980-х годов последовательности геномной и цитоцлазменной ДНК были интегрированы в существующую карту. Из-за низкой степени генетической вариации между сортами, карта сцепления была составлена с использованием F2 популяции от межвидового гибрида L. esculentum х L.penne lili. В среднем, маркеры разделены менее чем 1 морганидой (Pillen et. al., 1996). Из выявленных к настоящему времени 1200 мутантных генов, 323 гена локализованы в несущих их хромосомах. Следует отметить, что около 300 мутантов были получены спонтанно, а 200 - на основе L. pimpineШf olium. Гены у мутантов характеризуются устойчивым фенотипом но сравнению с сортом Магg lobe.

Списки с названиями, символами и положение этих генов на карте публикуются в сборнике "Генетические карты" (O'Brien, ed.Cold Spring Harbor Lab., 1987) и ежегодных "Докладах кооператива по генетике томатов" ( Report of the Tomato Genetics Cooperative -TGC). Основная часть генетического фонда хранится в Отделении овощных культур Калифорнийского университета в Дэвисе, США.

Создание и расширение коллекций исходных сортов, линий становится все более актуальным для селекционных и генетических целей. В разных странах созданы коллекции сортов, диких видов и маркерных (мутантных) форм по многим культурам. Особый интерес представляют 28 мировых коллекций, в которых находятся более 32 тысяч образцов томата. Наиболее крупными из них являются: коллекция ВИР в С.-Пе-

тербурге, азиатская коллекция- -АУВДС на Тайване, коллекция ЮА в США; уникальна коллекция доктора Рика -ТбвБ- в Калифорнийском университете (США), в которой собрано более 600 образцов дикорастущих видов, 600 образцов генетического материала (мутанты, маркеры и т. д.) (Гаранько, 1992).

Во многих странах созданы и используются для селекции коллекции мутантов с ценными признаками, которые насчитывают по нескольку тысяч образцов (Крэддок, 1976; ВПх^ 1976). В Венгрии было получено свыше 60 радиомутантов гороха, кукурузы, в Германии созданы коллекции мутантов ячменя, томата, сои, гороха, люпина, пшеницы, некоторых масличных и декоративных культур, в Румынии - кукурузы, ячменя, пшеницы и плодовых культур. В Швеции имеется генный банк гороха, состоящий из 1500 линий и включающий большое количество спонтанных и индуцированных мутантов (ВНхй, 1976). В родословных многих созданных сортов имеются радиационные мутанты.

Коллекция томата во Всероссийском НИИ растениеводства им. Н.И.Вавилова состоит из 6709 образцов, сохраняемых в живом виде. В коллекции преобладают сорта отечественной и зарубежной селекции, местные формы, селекционные линии; полукультурные разновидности представлены 600 образцам