Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

НАСЛЕДСТВЕННАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ СОРТОВ ЗЕРНОВЫХ КОЛОСОВЫХ КУЛЬТУР ПО ЗИМОСТОЙКОСТИ

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Автореферат диссертации по теме "НАСЛЕДСТВЕННАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ СОРТОВ ЗЕРНОВЫХ КОЛОСОВЫХ КУЛЬТУР ПО ЗИМОСТОЙКОСТИ"



На правах рукописи

НЕЦВЕТАЕВА Ольга Васильевна

НАСЛЕДСТВЕННАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ СОРТОВ ЗЕРНОВЫХ КОЛОСОВЫХ КУЛЬТУР ПО ЗИМОСТОЙКОСТИ

03.00.15 - генетика, 06.01.05 — селекция и семеноводство

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва 2005

Работа выполнена в ГОУ ВПО Белгородском государственном университет на базе ГНУ Белгородского научно-исследовате'іьскої о шил иту га се іьскою хозяйства Россе тьхо закадемии

Научный руководитель доктор сельскохозяйственных HavK, профессор

Гкаченко Иван Константинович

Официальные оппоненты доктор биологических наук профессор

Пытьнев Владимир Валентинович

кандидат сельскохозяйственных наук, доцеш Романова Етена Валерьевна

Beavnutf организация Воронежский государственный аграрный

университет имени К Л Гтинки

Зашита состоится « 2005 г в « » часов на iace ..

диссертационного совета Д 220 043 10 при Российском государствеш аграрном университете - МСХА имени К А Тимирязева по адресу 12"' Москва, у т 1имирязева 49

С диссертацией можно ознакомиться в бибтиотеке России ^ государственного аграрного университета - МСХА имени К А Гимиря по адресу 127550, Москва уі Тимирязева, 49

Автореферат разослан » /-¿¿^■¿-(¡уОлі 2005 г

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биочогических наук

У

V-

Карлов Г И

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Озимые лучше яровых используют биоклиматический потенциал географических зон их возделывания, обеспечивают гарантированное производство зерна. Одними из основных факторов, лимитирующих получение высокого урожая озимых, являются неблагоприятные условия перезимовки. Так, гибель посевов озимой пшеницы в течение зимнего периода в отдельные годы (1968-69, 1970-71, 1978-79) достигает огромных размеров - 7-10 млн. га (Шевелуха, Василенко, 1993). Для сравнения, ежегодные посевы озимых в Белгородской области составляют 275-300 тыс. га. В Центрально-черноземной зоне России гибель озимых в среднем за год оценивается величиной в 26% (Косилова, 1983). По данным В.И. Калиненко и др. (2001) среди различных агроприемов на долю сорта, т.е. генотипа, приходится до 25% прироста урожая, а в экстремальные по погодным условиям годы, ему принадлежит решающая роль.

Зимостойкость является полигенным признаком и включает в себя три основных блока факторов, влияющих на способность к перезимовке: температурные, анаэробные и механические (Животков, Кубарев, 1993). Многофакторность отрицательного воздействия на растения озимых культур в холодный период времени обуславливает очевидные трудности в выяснении следующих моментов: 1) какие из факторов среды оказали решающее влияние на дифференциацию генотипов по перезимовке, т.е. что являлось фоном отбора на зимостойкость в данный сезон; 2) какие генетические детерминанты, определяющие зимостойкость растения, проявляли свое действие в этот период и как их идентифицировать. В этом направлении наиболее детально изучена морозостойкость зерновых культур, в том числе наследственная изменчивость по этому свойству, что связано с возможностью моделирования температурных параметров в контролируемых условиях среды. В то же время, остается открытым вопрос о наследственной изменчивости зерновых колосовых по зимостойкости, когда это свойство лимитируется не только температурными, но и другими факторами среды или их сочетанием, что характерно для естественных условий среды. Это составляет сложность и актуальность исследования генетики данного свойства, поскольку выявление внутривидовой генотипической изменчивости зерновых колосовых по зимостойкости и использование, полученных результатов в практической селекции может способствовать получению высоких урожаев зерна в неблагоприятные по перезимовке годы. Оптимизм в решении поставленной проблемы базируется на теории эколого-генетической организации сложных полигенных количественных признаков (Драгавцев, 2004).

Цель и задачи исследования. Цель данного исследования -выявление наследственных факторов,^обуславливающих Внутривидовые

озимой кульгуре пшеницы и ячменя Для реализации поставленной цели необходимо было решить следующие задачи

- оценить сопряженность генетических факторов, контролирующих качественные биохимические и морфологические признаки, с морозостойкостью и другими слагаемыми зимостойкости у озимой пшеницы и озимого ячменя,

- картировать ген, контролирующий тип развития ячменя,

- выполнить генетический анализ по выявлению новых генов, обуславливающих повышенную зимостойкость у пшеницы,

- провести оценку частот встречаемости аллелей различных токусов в озимой и яровой культуре ячменя,

- охарактеризовать холодный период каждого года по основным абиотическим факторам среды, лимитирующим перезимовку.

Научная новизна. Идентифицирован и локализован в хромосоме 5А пшеницы новый ген, обозначенный Win 1, обуславливающий юлерантность к вымоканию в холодный период года У ячменя в хромосоме 5(1Н) картирован неизвестный ранее ген, обозначенный Hsh2, контролирующий волосистость нижнего листового влагалища и локус ъЬЧ, обуславливающий озимый тип развития Приоритетом явилась сравнительная оценка в озимой и яровой кулыуре ячменя частот аллелей семи локусов (Вшу 1, Hrd A, Hrd В, Est 1, Est 2, Est 12, Sod S) и сопряженность части из них с морозостойкостью Разработан и апробирован тестерный набор кульгур и сортов-дифференциаторов для характеристики типа зим С геном В1 (Безостость колоса 1), ассоциирована большая восприимчивость пшеницы к вирусу жетгой карликовости ячменя (ВЖКЯ) по сравнению с носителями альтернативного аллеля (Ы)

Теоретическая и практическая ценность. На основе но [ученных результатов по изучению генетики зимостойкости пшеницы и ячменя, открывается возможность целенаправленного поиска новых подобных генов, в культуре других озимых злаковых культур или перенос их от других видов Дана оценка аллелей глиадинкодирующих локусов пшеницы, как генетических маркеров морозозимостойкости, при нормальной и октремальной динамике низких температур Определены аллели гордеинкодирующих факторов и локусов Вшу 1, L, сопряженных с морозостойкостью у озимого ячменя Поражение ВЖКЯ не влияет на зимостойкость озимой пшеницы, но увеличивает восприимчивость растений к ранневесенним заморозкам По реакции выживаемости после перезимовки набора сортов-дифференциаторов можно определить тип зимостойкости или восприимчивости исследуемых форм

Практические результаты работы реализованы в селекции озимой мягкой пшеницы Созданные сорта проходят государственные испытания по 5-му региону России Коротышка (jN°9705434) с 2003 г и Ариадна (№9610460) с 2004 г

Апробация результатов исследования. Основные результаты исследований были доложены на Международных научных конференциях: «Селекция и семеноводство зерновых культур» (Зерноград, 2001); «Актуальные проблемы сохранения устойчивости живых систем» (Белгород, 2004); 3-ем съезде генетиков и селекционеров России «Генетика в XXI веке: современное состояние и перспективы развития» (Москва, 2004); VI Международном симпозиуме «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования» (Пущино, 2005); на научно-производственных заседаниях кафедры ботаники и методики преподавания биологии БелГУ (Белгород, 2002-2005).

Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Основные положения, выносимые на защиту.

Идентификация и хромосомная локализация генетических факторов, обуславливающих тип развития, зимостойкость и морфологические признаки ячменя и пшеницы. -

Сопряженность аллелей, контролирующих биохимические и морфологические признаки, с морозостойкостью и зимостойкостью в культуре ячменя и пшеницы.

Закономерности в распространении аллелей, контролирующих изоферменты и варианты запасных белков, в озимой и яровой культуре ячменя. .

Разработка оценки растительного материала на зимостойкость; в естественных условиях среды. .

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, выводов, списка литературы и приложений. Список цитируемой литературы включает 255 источников, из которых 98 работ иностранных авторов. Текст диссертации изложен на. 136 страницах, включает 18 таблиц и 9 рисунков; в приложении даны фотографии вариантов гордеинов ячменя, состояния озимых культур после перезимовки, схемы каталогов глиадинов пшеницы; приводится характеристика коллекции сортов и селекционных форм ячменя по вариантам гордеинов и изоферментам, перечень сортов озимой мягкой и твердой пшеницы, использованных в работе.

2.1-2.4. УСЛОВИЯ, МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования проводили на опытных полях ГНУ БелНИИСХ (пос. Гонки), расположенных в западном агроклиматическом районе Белгородской области.

Погодно-климатические условия в ' годы , исследований характеризовались высокой контрастностью, что позволило оценить влияние изучаемых факторов на зимостойкость, толерантность к заморозкам, урожайность, вариацию по другим количественным признакам и дать объективную оценку коллекционному и гибридному материалу озимой

пшеницы по реакции на неблагоприятные условия чо юдного периода года

Средіїегодовое количество осадков изменялось от 312,7 до 645 S мм Иаииопее благоприятным по температурному режиму и урожайности озимых оказался 2002 г

Почва на опытном участке представлена черноземом типичным среднемощным малогумусным, тяжетосугтинистым, содержащем в пахотном сюе 5,4% гумуса 75 мг/кг подвижного фосфора и 120 мг кг годвижного калия по Чирикову, pHLO,-5,6

Дтя оценки уровня перезимовки озимых зерновых культур использовалась ко лекция сортов разного происхождения озимой мягкой и твердой пшеницы озимого ячменя, а также внутривидовые тбриды этих культур Оценка сопряженности зимостойкости с гтиадинкодирующими алтелями мягкой пшеницы изучалась на основе анализа се секционного материала и на почти изогенных пиниях, на основе сорта Ьезосгая ] полученных от М VI Копуся (Зерноград) Связь морозостоикости і. іенетическими факторами контролирующими качественные биохимические и морфологические признаки ячменя, исстедовалась на гибридном материале от различных скрещивании, полученном от А М Шеремета (Одесса) Оценку частот встречаемости аліечей, контрочируюших изоферменты и варианты запасных белков эндосперма, в яровой и озимои ьузьтуре ячменя выполняли на наборе сортов и сечекционных образцов России и Украины попученных из раз шчных источников (СІ И, Одесса. ИОГен, Москва ВИР, С-Петербург и др ) Дія іокализации и картирования генов исстедовалось потомство Fj, F< и F .

Для опредетения сцетения генетических факторов использовали ¿ -тест Величину рекомбинации опреде іяли методом максимального правдоподобия (Фишер, 1958) Частоты встречаемости ал іе іей, по изученным токусам, дія диалтельных стучаев оценивались в соответствии с показатепем изменчивости качественного признака (Рокицкий, 1474) а при множественном алтепизме по формутам, ихложенным Ch Li (1476) Оценка существенности разности выборочных средних проводилась по критерию Стыодента Корреляционный, дисперсионный и регрессионный aiіанизы осушествляти с помощью программы Statgraphics Расчет до іеи вкзадов генотипа и среды в формирование набтюдаемой изменчивости по количественным признакам, производили на основе известных статистических зависимостей (Корн, Корн, 1968) в программе SuperCalc 4

Идентификацию нас іедственно обусловленных вариантов бетков и ферментов пшеницы и ячменя, осуществляли с помощью соответствующих методов раздетения биопотимеров в крахмальном (Созинов Попереля, 1974, Поморцев и др , 1985) и потиакриламидном (Дарканбаев и др , 1980 Рыбалка и др , 1989, Нецветаев, 1992, 1993, Нецветаев и др , 1995) гелях

2.5. Разработка подходов для дифференциации зим по факторам среды, лимитирующим перезимовку

Согласно метеоданным и изучению реакции озимых культур следует, что в зимы 1995-96 г. и 1996-97 г. способность к перезимовке определялась уровнем морозостойкости образцов. В зимний период 1997-98 г. температурный фактор не имел определяющего значения для перезимовки растений озимой пшеницы. Так, зиму 1997-98 г. хорошо перенес озимый ячмень, но крайне плохо - озимая твёрдая пшеница, и образец №500 озимой мягкой пшеницы, который показал самую высокую морозостойкость среди изученных образцов озимой мягкой пшеницы в предшествующие годы (табл. 1). Учитывая сложившиеся условия зимы 1997-98 г. и реакцию растений на микрорельеф можно полагать, что в данном случае зимостойкость определялась толерантностью растений к переувлажнению, т. е. устойчивостью к дефициту кислорода в зоне корней. Соответственно, корреляция между зимостойкостью 1996-97 и 1997-98 гг. отсутствовала (г= -0,04; п = 173). Характерно, что сорта Алый парус и № 500 явились хорошими индикаторами этого типа зимы (табл. 1). Последующие четыре года отличались достаточно теплыми зимами и, соответственно, существенной дифференциации образцов по зимостойкости не наблюдалось. Следует обратить внимание на перезимовку 2001-02 г. В данном случае дифференциации среди образцов озимой мягкой пшеницы по этому признаку не было, но озимая твёрдая пшеница (Алый парус) обнаружила анаэробное воздействие внешней среды. В то же время, влияние анаэробиоза не существенно сказалось на перезимовке №500. Необычность зимы 2002-2003 г. заключалась в резком понижении температур при отсутствии снежного покрова в последней декаде ноября. Следовательно, в этом году лимитировали перезимовку низкие температуры. Это подтверждает реакция дифференциаторов на сложившиеся условия среды. Так, полностью погиб озимый ячмень, отличающийся устойчивостью к вымоканию. Лишь единичные растения сохранились на посевах озимой твердой пшеницы. Наблюдалась дифференциация по перезимовке между сортами озимой мягкой пшеницы. Вероятно, не все генотипы озимой пшеницы успели пройти закалку. Подтверждением этому может служить слабая перезимовка морозостойкого сорта БелНИИСХ 1 и недостаточно высокая - №500 (табл. 1), который отличался прекрасной морозостойкостью в холодные периоды 199596 г. и 1996-1997 г. Зима 2003-04 г. характеризовалась благоприятными условиями, которые способствовали хорошей перезимовке. Так, различия по перезимовке между культурами и сортами, оцененные 23 марта 2004 г., были невелики. В то же время, 1-2 апреля ранневесенние заморозки привели к дифференциации данного набора сортов и культур по реакции на низкие температуры. Наиболее сильно отреагировали на заморозки Алый парус (озимая твердая пшеница), Одесский 165 (озимый ячмень) и БелНИИСХ I (озимая мягкая пшеница). Характерно, что БелНИИСХ 1 является наиболее скороспелой формой из данного набора образцов озимой мягкой пшеницы и,

Таблица 1

' Ошмая кучыура

Ячмень

Реакция дифференциаторов на холодный перио і но годам (п I инки, Ьепородский р н) 1995^96

Сор г Одесским 165

1 вердая Алый парус

пшеница | _ _

Мягкая і Альбатрос _ одесский Ьелгородская 12

ЬелНИИСХ 1

пшеница

Мироновская 61 Ж 500

Іригикаїе Привада

"пер"

о

_5 ~5

"4І 5,2 ~ 5,5" 0 32

1996 97

3,5 4 ~ 4,5

"5,2" " 5 ~ 5,5 5Т

Оценка перезимовки в баллах п зимние периоды, г 1997-98 1998 99 1999 00І 2000 01 1 2001 02

0,29

5 О

Т~

4,Г

4 0~"

0,27

4 ~4

~~ 5

5 5 5

0,Г5

4

5~ ~4

4,5~

5~~

0,21

5

5~

о1Г

2002 03 2003

___^_041

0

1 1

5 5

5 5

5 3^5

5 4,5

4,5 4

0,40

4,5/3,5 4/3

'5/5

5'5 4,5/3,5

3/4,8

0,25 ' 0,ГШ,2

Примечание 5,5 баллов - сооївсгсшусі оіличіши иережмовке (уровень іріпикаїе еорта Привада), 0 гибель 95-100% , 1 - первая цифра переїимогіка на 23 03, іпорая посіє "іамороїшв 1-2 04, оценка 15 04

в отличие от других сортов, отличается интенсивным ростом уже в начале весенней вегетации.

Таким образом, можно выделить следующие типы зим: 1 тип - когда перезимовку лимитировали низкие температуры при нормальном прохождении закатки (1995-96, 1996-97 г.); 2 тип - когда перезимовку лимитировали низкие температуры при ультракоротком времени прохождения закалки (2002-03 г.); 3 тип - перезимовка связана с переувлажнением почвы - воздействие вымокания (1997-98, 2001-02 г.); 4 тип — благоприятный по перезимовке, но с воздействием ранневесенних заморозков (2003-04 г.); 5 тип - благоприятный по перезимовке (1998-99, 1999-00,2000-01 г.).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Глава 3. Наследственные факторы, ассоциированные с адаптивной ценностью генотипов ячменя в озимой культуре

3.1. Картирование гена sh3 (озимый тип развития 3) в хромосоме 5

С целью определения положения гена sh3 в хромосоме 5(1Н) использовали формы, маркирующие оба плеча этой хромосомы и различающиеся аллелями локуса Sh3. В первой комбинации одним родителем была яровая форма Sh3 (=к-376446) с генотипом по генам развития: ShSh sh2sh2 Sh3Sh3, полученная от R. Takahashi и S. Yasuda (Япония), а вторым - типично озимый ячмень сорта Оксамыт, генотип: ShSh sh2sh2 sh3sh3. Родители отличались также по локусам Hrd А и Hrd В, обуславливающим различия по вариантам гордеинов, а также по аллелям, контролирующим развитие волосков на нижнем влагалище листа, которые обусловлены выявленным нами геном, обозначенном как Hsh2 (Hairy leaf sheath 2). Для идентификации аллелей по гордеинкодирующим факторам (Hrd - локусы) использовали электрофоретический анализ в крахмальном геле (рН 3,1; алюминий лактатный буфер) спирторастворимых белков эндосперма смеси зерен с каждого растения F2. Тип развития семей F> определялся путем весеннего посева зерен Fj. Результаты оценки сцепления изученных генетических факторов представлены в табл. 2. Обнаружено сцепление между генами Sh3 и Hsh2, что свидетельствует о локализации доминантного фактора Hsh2, обуславливающего наличие волосков на влагалище листа у формы Sh3 (=к-376446), в хромосоме 5.

Учитывая полученные результаты, был проведен анализ сцепления гена Hsh2 с ВЬ (Черная vs. белая цветковая чешуя) и Glel glel (Глянцевый vs. восковидный колос)(табл. 3). В данном случае ген В маркирует длинное плечо хромосомы 5 (=5L), a Glel - короткое плечо (=5S). Таким образом.

Таблица 2

Оценка сцепления гена ЗИ 3 с генетическими факторами хромосомы 5 ячменя в комбинации БЬ 3 X Оксамыт

Символы аллетей Фенотипы В Р; 1

(тестирование по Р0 п Фаза XI

А х В ВВ 1 ВЬ ЬЬ

а ь I

5ЬЗ у Н$Ь2 АА 17 1 21 11 при-

ьЬЗ ЬьЬ2 Аа 5 49 25 150 тяже- 14,03

аа 3 12 7 ния

БЬЗ х Нгс1 А12 АА 15 22 10 при-

ьЬЗ Нп1 А1 Аа 19 42 14 144 тяже- 10 02

аа 2 1 8 12 ния

БЬЗ х Нгс1 В1Ч АА 11 1 26 10 при-

ьЬЗ Нгс! В6 Аа 23 1 36 16 144 тяже- 1034

аа 2 7 13 ния

Нгс! А12 х Нгс1 В13 А\ 26 5 5 при-

Нг(1 А1 Нгё В 6 Аа 9 50 13 145 тяже- 81,24

аа 1 14 22 1 ния

НьЬ2 х 1Ы А12 АА 7 14 -> при-

Ь$Ь2 Нгс! А1 Аа 22 37 21 144 I тяже- 4,64

1 аа 7 1 21 13 I ния

1 Н*Ь2 х Нгс) ВП АА 7 1 П 6 при-

Нгс1 В6 Аа 24 36 19 144 тяже- 5 02

аа 5 22 14 ния

Рекомби-

40,9+3,9

38 3+3 9

41,9^4,0

20 4+2 7

42,3-4,0

4 2+4,1

Таб ища 3

Оценка шептения локусов хромосомы 5 ячменя С1е 1, В НьЬ2 в комбинации ае 1 + В ь ш1-а2 X 5Ь 3 + ЬЬ - \

А \ В 1 1 ВВ ВЬ ЬЬ 1

а Ь

С1е 1 X В , АА 12 16 6 1

ё1е 1 ь Аа 26 13 13

аа 16 6 6 1

01е 1 X Ня112 1 АА 10 15 8

81е I ЬЬ2 Аа | 8 25 19 |

аа 8 12 9

В X ' АА 8 26 20 ,

ь ЬьЬ2 Аа . 10 15 10 ,

1 аа ! 7 12 6 1

Фаза

Рекомбинация. %

при-

114 тнже- 0,19 ния

52,0+4,7

114

от-

гал- 0,24 52,3*4,'

кив _

от-

тал- 8,16 42,7+4 5 кив

наиболее вероятное расположение изученных генетических факторов в хромосоме 5 ячменя демонстрирует рисунок 1.

В_Hsh2_Sh3_Hrd А_Hrd В Gle 1

5L 5S

Рис. 1. Расположение локусов 811 3 и 1ЬЬ2 относительно известных генов хромосомы 5(1Н) ячменя: Ь - длинное, Б - короткое плечи; обычным шрифтом отмечены факторы с известной локализацией.

3.2. Генетические факторы, ассоциированные с уровнем морозостойкости озимого ячменя

Для оценки морозостойкости использовались контролируемые искусственные условия проморозки в морозильных камерах КНТ-1. По результатам электрофоретического анализа супероксиддисмутазы, эстеразы 1, эстеразы 12, альфа-амилазы, бета-амилазы, гордеинов А и В семьи озимого ячменя группировали, соответственно, по аллелям локуса Sod S, Est 1, Est 12, Amy 1, Bmy 1, Hrd А и Hrd В и оценивали их по морозостойкости. Приведенные данные (табл. 4) свидетельствуют, что аллель Bmy IBr сопряжен с повышенной морозостойкостью по сравнению с аллелем Bmy 1Аг. Аллели, контролирующие варианты гордеина А, можно расположить в следующем порядке по сопряженности с морозостойкостью: Hrd A3 = Hrd А14 > Hrd A1 2 Hrd A2 Генетические факторы, контролирующие варианты гордеина В, дали следующую ранжировку по сопряженности с морозостойкостью: Hrd ВЗ > Hrd В6 & Hrd В21 = Hrd В(др.)

Наследственный фактор, контролирующий плотноколосость (разновидность Paralelum), оказался статистически достоверно связанным с формированием более высокой морозостойкости в отличие от гена, обуславливающего альтернативное проявление признака - рыхлоколосость (разновидность Pallidum).

Таким образом, из исследованных восьми локусов, затрагивающих шесть хромосом ячменя, четыре, расположенные в трех хромосомах, - были сопряжены с морозостойкостью: L1 (Рыхлый vs. плотный колос), Bmy 1 (Изоферменты бета-амилазы), Hrd А (Варианты гордеина A), Hrd В (Варианты гордеина В).

Таблица 4

Уровень морозостойкости озимого ячменя в зависимости от аллечьного состояния некоторых токусов

Нгё Л1 А2 Нг(1 АЗ Нгс1 Л14

; Нгс1 ВЗ Нгс! В6 Нгс! В(др)

I

Нп1 В21

Символы аллелей

' БойИ _5ос1 Б2 _ Вту 1Вг Вгпу 1 Аг- _ ^ 1Са Е<И: 1 Рг ГЙГ12ВС

12Н1 _

I Ра11и1иш I Рага1е1ит

I Промораживание при-12'С | Промораживание при -14 'С ' размер I морозо-| раз- | размер | морозо- | раз-выбор- ' стойкость, личия, выбор- . стойкость, 1ИЧИЯ,

I!

Ашу 1 1 !Ату 14 | Ашу 1 (др )

ки 7

32

41 ->

33 4

I 76,9^5,9 79,8+3_6_ [ 30,3-2,8 66 6+23 1

^2,9 +-13 7

39 3

35 7 2

6

6

77,7+3,4 87,4-8.1 81,1-2,8 " 1. 57 2+13,9 77,8-3,4 87,2;2 0 ^ 71.3±18,8

| 80,2—9,1

I

| ~2,8±10,4 1 76,1-7,1 62,6±8,3 95,8*4 2 89,2±6 2

-9,7

г23 9

-9,4* -8,9 +7,4

+13,5 -33,2 " +6,6

15 9

8 ■у

| 86,2*3 О

, 78,2*6,8

I

63,3*8,0 : 67,5±22.5

I »-8,0

+14,9

-4.2 I

8 35

I:

I

67,4-9,0 67 8-4 5

-0 4

44 69,7-3.8 1

_[ 47 9—7.4 , -21,8*

37 | 66 8±4.5 I

4 79 0-8.5 ' -122 43 70 3-3,7

43 3+20,4 | -27 0 65,4^4,2

8& 1-2 6 -20 7*"

60 4-20 2 |

! -5,1

<-9,9

39

65,5*10 2 55,6^10 1

16 10 8 4

63,4±7,1

39,6*10 0

79 4*10 3

78,4*10 3_ 81,0^3,3

61,9±8,2

46,9з;10 5

49,3*10 9

+23,8 -39 8* -1 0

+ 19,1* +15 0 -2,4

**, ***- различия существенны соответственно при уровнях вероятности 0 9^ 0 94 0,999 Д%Нп1 А2 - Нгс! А14 - 26 6*(при -12 С) Д%Нгс1 А2 - Пп1 А14 - 38 6*(при 14 °С) Д%1ЫВЗ НтаВ(др) -22 9*(при-12 С.) Д%Нгс1ВЯ Нгс! В(др )- +34 1"(прн 14 "С). Д%Нгс1 ВЗ - Нгс1 В21 -31,7*(при -14 °С)

Таблица 5

Встречаемость аллелей токусов Bmy 1, Est 1, Est 2, Est 12, Hrd A, Hrd B, Sod S в кучьтуре озимого и ярового ячменя

Озимый ячмень

Яровой ячмень

Символы аллелей выборка встречаемость, % выборка встречаемость, 0 о газличии *(оз -яр )

Со эта ячменя территории бывшего СССР

Bmy IBr 63 96,83*6 30 179 57.80*3,40 +39,03***

Вшу 1Лг 1,58-1,12 40.50*3,00 -38,92***

Bmy 1А1 1,59*1,12 1 70±0 70 -0,11

Est 1Са 63 73,03±6 07 213 62,85±3,18 -10,18

Est 1Рг 23,81-4,68 35,34*2,61 -11,53*

Est 1A1 1,58*1,12 1,41*0,57 +0 17

Est lAf 1,59*1,12 0 0*0,46 + 1,59

Est lVi 0 0+1,51 0,40-0.30 -0 40

Est 2A 63 96 83+6,30 213 г 86,77+3,40 <Т0 06

Est 2B 0(Ы,51 0 61*0,38 -0 61

est 2 3.17*1,57 0 0*0,46 -3,17

Est 2C 0,0±1,51 11,17±1 57 -11,17***

Est 2D 0 0*1,51 1,31*0,55 -1.Я1

Est 2E 00±1 51 0,14*0,18 -0,14

Est 12Be 63 97,62±6,30 213 96,01+3,42 + 1,61

Est 12Hi 2 38+1.34 3 99+0,96 -161

Hrd A1 64 17,19±3,50 249 15,86*1,71 +1,33

Hrd A2 17,97-3,57 52 61*2,79 -34,64***

Hrd A3 49,22*5,38 0,0*0,40 +49 22***

Hrd A14 3,91±1,73 0,0*0,40 -3,91

Hrd A21 7,81*2,42 3 61 t0,S4 +4 20

Hrd А прочие 3,90*1,73 27,92*2,20 -24.02***

Hrd B3 64 31,25*4,54 249 0,0+0,40 -31,25***

Hrd B6 38 28+4,92 0 0±0 40 +38,28***

HrdBU 1,56+1,10 0,0+0,40 -1,56

Hrd B21 1,56±1,10 15,46+1,69 -13,90***

Hrd В19 7,03±2,30 18,88+1,85 -11,85***

Hrd B5 7,03+2,30 0,0*0,40 +7,03**

Hrd B8 0,0+1,49 20,68+1,93 -20,68***

| Hrd B17 0 0*1,49 12,85+1,55 -12,85**

Hrd В прочие 13 28+3,11 32,13t2.33 -18,85***

Sod SI 63 23,81 ±4,08 205 80,20+2,80 -56,39***

Sod S2 76,19+6,12 1 19,80*2,80 -56,39***

о 999

разіичия существенны соответственно при уровнях вероятности 0 9*5 0 94

3.3. Анализ частот генов, контролирующих биохимические признаки, в яровой и озимой культуре ячменя

Исследовалось распространение аллелей локусов Bmy 1, Est 1, Est 2, Est 12, Sod S, Hrd А и Hrd В, контролирующих, соответственно, синтез изоферментов бета-амилазы, эстеразы 1, 2, 12, корневой супероксиддисмутазы, вариантов гордеинов А и В. Результаты представлены в табл. 5. Как видно, из 7 локусов, обуславливающих полиморфизм по качественным биохимическим признакам, 6 продемонстрировали существенные различия в частотах встречаемости аллелей между озимым и яровым ячменем. Часть из них оказалась связанной с морозостойкостью (раздел 3.2.). Очевидно, что остальные, учитывая функциональную значимость продуктов этих локусов, также сопряжены с различной адаптивной ценностью исследованных генетических факторов, в зависимости от типа развития ячменя. Анализ распространения частот данных аллелей среди перспективного селекционного материала ярового (п=125) и озимого (п=66) ячменя (из СГИ, Одесса) подтвердил результаты, представленные в табл. 5.

Глава 4. Генетические факторы, ассоциированные с зимостойкостью у озимой пшеницы

4.1. Морозозимостойкоеть

Анализ генотипов озимой мягкой пшеницы, изученных по аллелям глиадинкодирующих локусов 1 и 6 гомеологичных хромосом, показал следующую ранжировку их по морозозимостойкости (оценка в баллах, п -количество образцов, символика обозначения аллелей по Ф.А. Попереле и Т.А.Собко (1987)):

GldlA 5 > 4 > 2 = 5,05±0,09(п=10) > 4,82±0,04(п=99) > 4,77±0,07(п=35) GldlB 1 >2>Cyl = 4,83+0,04(п=128)>4,71+0,14(п=7)>4,70+0,12(п=15) GldlD 4>5>1>2>Су1 = 5,00±0,08(п=23) > 4,88+0,06(п=3 8) >

4,75±0,08(п=30) > 4,69+08(п=17)>4,58+0,15(п-9) Gld6A 3 > 1 = 4,85+0,04(п=104) > 4,76+0,06(п=45) Gld6B 2 > 1 = 4,86±0,05(п=75) > 4,76+0,04(п=96) Gld6D 2 > 1 = 4,94+0,07(п=24) > 4,78+0,04(п=119)

Примечание: Су1 - тип глиадинов от Aegilops cylindrica (Одесской популяции); > -различия существенны, > - различия не существенны.

Полученная ранжировка генотипов по зимостойкости 1996-97 г., оцененных по аллелям глиадинкодирующих локусов 6-й гомеологичной

группы хромосом, совпадает с резучьтатами, представленными М М Копусем (1998, 2001) на почти изогенных пиниях сорта Безостой I изученных по морозостойкости Ранжировка по факторам 1 -й гомеологичной группы несколько отшчается от результатов, описанных ранее Характерно, что с аллепями пиадинкодируюших локусов от Aegilops cylindrica (Одесская популяция) связана пониженная зимостойкость Морозозимостойкость обнаружила положительную корреляцию с л ншой вегетации и высотой растений (1-0,23" и г-0,20*\ п=173, 1997 г )

Необычность холодною периода 2002 03 года заключалась в ре ¡ком снижении температуры в начале зимы и подтверждается реакцией на него почти изогенных 1ИИИЙ Безостой 1 Гак, реакция данных линии в л ом год\ опичалась от результатов опенки их на морозостойкость, представленных М М Копусем (1998) В цетом, алтети пиадинкодируюших покосов первой гомеологичной группы, с которыми, по данным цитируемою автора, сопряжена повышенная морозостокость, в данном с 1учае были связаны с пониженной зимостойкостью Между аллепями пиадинкодируюших локусов шестой гомеологичной группы хромосом не обнаружено существенной дифференциации по зимостойкости этого типа Наиболее высокой зимостойкостью отличались сортообразцы Белгородская 12, Безенчукская 380, Вадуевская, Донецкая 48, Колос Дона, Льговская 4, Льговская 167, Московская 34 Московская 70, Пер тина псостепу, Уни 1 Тип морозостойкости 2002-03 г корретировал с восприимчивостью к бурой ржавчине (г=0,51 \ гг 124), высотой растений (г=0,37 \ п=124), но не показал сопряженности с дтиной вегетационного периода (r=0,02, п=124)

Таблица 6

Зимостойкость безостых и остистых форм озимой мягкой пшеницы, в баллах

1497 год Характер зимостой-1

колоса 1 п | кость, ДВ+Ь баллы

1948 год

Безостый ( В1) Остистый ( Ы)_

26 4,37+0,11 36 4,49±0 08~

ШМОСТОИ-

кость, баллы

I

I 4 03-0,24

-0,12 0,857

, 42 2,85+0,07

ЛВ+Ь

>-1 18

4,63

Примечание

- разтачия существенны при vpoene значимости 49 9% конкурсное

испытание

Учитывая полигенность морозостойкости, была проведена оценка по угому признаку между генотипами, несущими аллели В1 (Безостость) и Ы (остистость) PaзJШчия между безостыми и остистыми формами по устойчивости к низким температурам в холодный период 1996-97 года оказались не существенны (табл 6) Средний уровень перезимовки в 2002-03

г. безостых сортов составил 3,80+0,19 балла (п = 23), а остистых - 3,89+0,17 (п = 27).

Следовательно, В1Ы (Безостость vs. остистость) или гены, тесно сцепленные с данным фактором на хромосоме 5А, не сопряжены со свойством морозостойкости.

4.2. Идентификация и локализация гена Win 1, обуславливающего толерантность растений пшеницы к вымоканию в холодный период

года

Анализ дифференциации образцов по зимостойкости 1997-98 г. показал, что безостые формы и сорта оказались более выносливыми к сложившимся условиям перезимовки (табл. 6). В результате, средняя урожайность безостых - была 33,0 ц/га, в то время как средняя урожайность по опыту (включая безостые) составляла 29,0 ц/га (НСРо,?5 ~ 3,3 ц/га).

Учитывая, что перезимовку в данный холодный период лимитировало переувлажнение почвы, это может свидетельствовать о том, что вблизи доминантного гена В1 (Ингибитор остистости 1) хромосомы 5AL расположен генетический фактор(ы), обуславливающий толерантность растений пшеницы к недостатку кислорода в зоне корней. Произведена оценка сцепления гена Ble локусом, обозначенным Win 1 (Winter hardiness 1) и контролирующим зимостойкость определенного типа - 1. Для оценки сцепления использовали х\ тест, адаптированный для популяций F_, с сильной ассиметрией по частотам встречаемости генов (Неиветаев, Календарь, 1999). Частоту рекомбинации оценивали по формулам для популяции самоопылителя старших поколений (F—„.) (Netsvetaev, Sozinov, 1984). Результаты оценки частоты рекомбинации представлены в таблице 7.

Таблица 7

Оценка сцепление между генами В1 (Безостость) и Win 1 (Зимостойкость 1),

1998 г.

Символы Фенотипы в F_,„ Вы-

аллелей бор- < Рекомбинация,

А х В BB bb ка i %

a b

В1 * Win 1 AA 7 2

b 1 win 1 aa 31 277 317 37,98 5,81 ± 1,07

* B1 v Win 1 AA 7 2

b 1 win 1 aa 15 261 285 64,04 3,17 ±0,76

* - с удалением группы с промежуточной перезимовкой в 3,4-3,6 баллов.

Учитывая полученные резутьтаты, фактор Win 1 может располагаться в дтинном плече хромосомы 5А пшеницы следующим образом

Win Г

ß Amv-А2 - В1 - Hn - Q - Fr 1 - Vrn 1 -Kr2-cen

Характерно, что два фактора Ьг 1 (Frost resistance 1) и Win 1, оказывающих наибольшее влияние на перезимовку пшеницы, расположены в одной хромосоме, но судя по генетической карте достаточно далеко друг от друга Так, расстояние между генами Vrn AI и В1 оценивается величинами в 3I-50cVf (Mcintosh et al, 1998) В связи с этим, закономерны резу іьгатьі по отсутствию статистической связи между перезимовкой 1996/97 г и 1997/48 г полученные в наших опытах (г--0,04. п 173)

В шчний период 2003-2004 г обнаружена некоторая дифференциация озимых по перезимовке (табі 1) С целью определения, как была связана зимостойкость озимой пшеницы с геном Win 1 в ¡тот период, в качестве іенетичсских маркеров аліедей ¡того фактора использовали В1Ы (Безостость vs остистость) Резутьтаты представлены в габл 8

Таблица 8

Характеристика генотипов по количественным признакам, отминающихся фактором В1Ы (Безостость vs остистость), в 2004 году

Количественные _Символы алледей_j Различия

признаки . В1В1 (п 34) | blbl (п=97) средних | t

(безостость) (остистость) I j 5имосп1йк:осгь олл I 4,75-0,06 ] 4,56*0,04 ' +0,19" | 2,79

і Устои швость к іамороікам 4,44±0,07 4,56±0 05 -0,13 1,34

І балі __

Дата ко кипения в июне 1 2,8±0,5

Восприимчивость к 3,5 Н) 3

мучнистой росс балі Восприимчивость К вир\су жеттои кар шковосги І ^ 1±0 2

ячменя (ВЖКЯ) балі__

I Высота растения сч 89,9±3,1

УрожайноеГЬ ига I 30,7-1,4 ~37,2-0,5 5.32

--I ______

Активность тирошнгиы | 5,74^0,54 5,99*0,26 0,21 0 34

[¿С I ел _!__

разтичия с\щесгвенны соответственно при уровнях вероятности 0 45 0 94 0W

2,0±0,3 3,6±0,1

+0,8 -0,1

1,51 0,31

2,5±0,1 "97,7^1 3

+0,6 І -7,8"

2,53 2,69

Как видно, различия по перезимовке (до весенних заморозков) между безостыми и остистыми формами были небольшими (около 0,2 балла), по сравнению с 1998 годом, но значимыми. Следовательно, в прошедший период наблюдалось анаэробное воздействие на растения (доля в перезимовке около 27%). Образцы, отличающиеся альтернативными аллелями локуса В1, не отличались по реакции к заморозкам. Это подтверждает то, что генетическая система типа Win 1, не связана с толерантностью к низким температурам, а обуславливает другой тип зимостойкости. Безостые формы оказались более восприимчивы к поражению вирусом желтой карликовости (ВЖКЯ) ячменя, чем остистые (табл. 8) и, соответственно, имели существенно меньшую высоту. В результате, несмотря на лучшие условия перезимовки, безостые формы значительно уступили остистым - по урожайности. Корреляционный анализ на озимой мягкой пшенице в 2004 г. показал, что в этом году на формирование урожая зерна наиболее существенное влияние оказала реакция изученных генотипов на заморозки (г = 0,425 ; п = 131). Характерно, что восприимчивость к ВЖКЯ существенно снижала устойчивость растений пшеницы к ранне-весенним заморозкам, но не влияла на зимостойкость и ускоряла развитие. Устойчивость к ВЖКЯ определила вклад в урожайность величиной в 14,0%.

Выводы

1. Рецессивный ген sh3, контролирующий озимый тип развития ячменя (типично озимые сорта, например - Оксамыт), расположен в хромосоме 5 (1Н) проксимально, между локусами Hrd А (Гордеин А) и Hsh2 (Волосистое листовое влагалище 2).

2. Выявлен неизвестный доминантный ген, обозначенный символом Hsh2 (Hairy leaf sheath 2), обуславливающий волосистость листового влагалища у формы Sh3 (=к-376446, =Т16-2). Определена локализация фактора Hsh2 в длинном плече хромосомы 5 (1Н) между генами sh3 и В (Черная окраска цветковых чешуй).

3. На основе подобранного тестерного набора сортов и культур, включающих озимый ячмень (Одесский 165), озимую твердую пшеницу (Алый парус), озимую мягкую пшеницу (Альбатрос од., Белгородская 12, БелНИИСХ 1, Мироновская 61, № 500\97), разработан и апробирован способ идентификации основных абиотических факторов среды, лимитирующих перезимовку озимых колосовых.

4. У пшеницы установлена сопряженность аллелей глиадинкодирующих локусов Gld 1 A, Gld IB, Gld ID, Gld 6A, Gld 6B, Gld 6D с морозо-зимостойкостью в полевых условиях Белгородской области и проведена их ранжировка по этому свойству. Наибольший уровень морозостойкости был связан с аллелями: Gld 1А5, Gld 1В1, Gld 1D4, Gld 6A3, Gld 6B2, G Id 6D 2. При резком снижении температур, не способствующих * нормальному прохождению растениями озимой пшеницы закалки,

1<э

ранжировка аллелей, статистически связанных с зимостойкостью, меняется В этом стучае, перспективным является аллеть gld 1D0

5 У ячменя из восьми -га кусов (Amy 1, Bmy 1, Fst 1, Est 12, Hrd A, Hrd B, Sod S LI), контролирующих качественные биохимические и морфологические признаки, четыре оказались сопряжены с

морозостойкостью Опредечены стедуюшие аллели, ассоциированные с положительным генотипическим вкладом в уровень морозостойкости растений Bmy IBr (Бета амилаза IBr) И (тотноколосость), Hrd A3 (Гордены A3), Hrd ВЗ (Гордеины ВЗ) Множественные аллели гордеинкодирующих юкусов как маркеры морозостойкости, ранжируются следующим образом Hrd A3 - Hrd А14 ^ Hrd А1 г Hrd A2, Hrd ВЗ Hrd В6 > Hrd В21 - Hrd В(др )

6 Озимый и яровой ячмень существенно оттичаются по частотам встречаемости большинства алтечей, охватывающих шесть (Bmy 1, Hrd А Hrd В, Est 1, Est 2, Sod S) из ссми изученных юкусов Аллельные различия, страгивающие токусы Bmv 1, Hrd А и Hrd В, связаны с формированием уровня морозостойкости озимого ячменя

7 Морозостойкость статистически положите тьно корретирует С высотой растений пшеницы и длиной вегетационного периода Наследственные факторы, определяющие зимостойкость в устовиях резкого снижения температур, сопряжены с генами, обуставливающими восприимчивость к бурой ржавчине

8 У пшеницы обнаружен новый ген, обозначенный Win 1 (Winter hardiness 1) обуславливающий зимостойкость 1, когда перезимовку тимитируют анаэробные условия (вымокание) Фактор Win I расположен на расстоянии 3.2-5 8% рекомбинации от гена В1 (Безостость колоса) в длинном птече хромосомы 5А пшеницы

9 В устовиях Бетгорода окото трети шм характеризуются тем, что они формируют условия, когда на растения действует анаэробиоз (вымокание) как основной фактор среды (1997 48 г ) или дополнитетьный (2003-04 г ) В качестве тестеров на анаэробные условия холодного периода могут служить формы озимый ячмень Одесский 165 - голерантен, твердая озимая пшеница Атый парус - восприимчива, озимая мягкая пшеница .V<> 300/97 восприимчива, озимая мягкая пшеница БелНИИСХ 1 устойчива

10 Безостые сорта носители доминантного гена В1 (Безостость колоса), являются более восприимчивыми к вирусу жеттой карликовости ячменя (ВЖКЯ), что в условиях развития болезни приводит (по сравнению с остистыми формами) к существенному уменьшению роста растсний и снижению урожайности Поражение ВЖКЯ не влияет на зимостойкость озимой пшеницы, но увеличивает восприимчивость растений к ранне-весенним заморозкам и приводит к потере урожая

Предложения для селекции и производства

На полях, расположенных в пониженных местах рельефа местности, целесообразно сеять сорта озимой мягкой пшеницы, несущих ген Win 1 Как правило, это сорта разновидности лютесценс

Для определения лимитирующего(-щих) перезимовку озимых культур фактора(-ов) среды холодного периода года, т.е. для характеристики фона отбора при селекции на зимостойкость, целесообразно применение тестерного набора сортов и культур зерновых колосовых.

В селекции, в качестве источников толерантности к низким -температурам при экстремальной динамике ее снижения использовать следующие сорта: Белгородская 12, Безенчукская 380, Валуевская, Донецкая 48, Колос Дона, Льговская 4, Льговская 167, Московская 39, Московская 70, Перлина лкостепу, Уни 1.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Наследственная вариация озимой пшеницы по зимостойкости / Нецветаев В.П., Нецветаева О.В., Ткаченко И.К. // Генетика в XXI веке: современное состояние и перспективы развития (3-й съезд генет.и селекц. России. 6-12 июня 2004).-М.-2004,- Т.2.-С.444.

2. Выявление наследственной изменчивости зерновых по зимостойкости / Нецветаев В.П., Нецветаева О.В. // Генетика.- 2004.- Т. 40, №11, С. 15021508.

3. Дифференциация озимых колосовых по зимостойкости / Нецветаева О.В. //

Вестник РУДН.- 2004,- №11,- С. 30-34.

4. Картирование генов Sh3 и Hsh2 относительно некоторых локусов хромосомы 5(1Н) ячменя / Нецветаева О.В.// Научные ведомости БелГУ. Белгород.-2005.-№ 1(21).-Вып. 3.-С. 93-96.

5. Характеристика озимого и ярового ячменя по аллелям локусов, контролирующим биохимические признаки / Нецветаева О.В.// Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования (Материалы VI Международного симпозиума 13-17 июня 2005 г., Пущино), М.- 2005.-Т.2.- С. 344-347.

6. Морозостойкость озимого ячменя и аллельное состояние по локусам, контролирующим качественные биохимические . и морфологические признаки / Нецветаев В.П., Шеремет A.M., Нецветаева О.В. // Научные ведомости БелГУ. Сер.химия, биология.- №2 (22).- Вып. 1.- 2005,- С. 118125.

Представленные заявки на государственное испытание новых сортов

озимой пшеницы

1. Сорт озимой мягкой пшеницы Коротышка. Заявка №'38823 (Россия) приоритет от 25 ноября 2002, код сорта 9705434 (в соавторстве) (Офиц.бюллетень, М.- 2002,- № 10[80].- С.688.)

2. Сорт озимой мягкой пшеницы' Ариадна. Заявка №40781 (Россия) приоритет от 18 декабря 2003, код сорта 9610460 (в соавторстве) (Офиц.бюллетень, М.-2004,-№1 [91].-С.З.).

Объем 1 25 печ л

Зак 680

Тираж 100 экз

Центр оперативной полиграфии ФГОУ ВПО РГАУ - МСХА им К А Тимирязева 127^50 Москва ул Тимирязевская 44