Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Оценка исходного материала для селекции мятлика лугового, Poa pratensis L, в условиях Камчатской области

ВАК РФ 06.01.05, Селекция и семеноводство

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Стружкина, Ольга Александровна, Хабаровск

61 ■■ eq-ö/wi-t

ii

Дальневосточный Научно Методический Центр Российской Академии Сельскохозяйственных Йаук

На правах рукописи УДК 631.52: 633.21 (571.66)

СТРУЖКИНА ОЛЬГА АЛЕКСАНДРОВНА

ОЦЕНКА ИСХОДНОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ СЕЛЕКЦИИ МЯТЛИКА ЛУГОВОГО (РОА PRATENSIS L.) В УСЛОВИЯХ КАМЧАТСКОЙ ОБЛАСТИ

06.01.05 - СЕЛЕКЦИЯ И СЕМЕНОВОДСТВО

Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научные руководители: доктор сельскохозяйственных наук, профессор, академик РАСХН Роальд Борисович Кондратьев

кандидат биологических наук Наталья Борисовна Сухарева

г. Хабаровск 1999

- г -

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Распространение, систематика и биологические особенности мятлика лугового (Роа pratensis L.)....... 9

1.2. Апомиктический способ семенной репродукции у растений. 14

1.3. Апомиксис у представителей рода Роа L................. 18

1.4. Методы идентификации способов размножения

1.4.1. Кариологический полиморфизм рода: Роа L............... 23

1.4.2. Полиэмбриония, антморфологический и цитоэмбриологичес-кий методы анализа апомиксиса......................... 27

1.4.3. Анализ запасных белков эндосперма в диагностике способов и систем размножения......................... 30

1.5. Селекция Роа pratensis

1.5.1. Основные направления и перспективы селекции и семеноводства............................................... 33

1.5.2. Биоморфологический и репродуктивный полиморфизм мятлика лугового...................................... 37

1.5.3. Пути и схемы селекции мятлика......................... 38

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ, МЕТОДЫ И УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Материал и методика исследований в питомниках......... 41

2.2. Особенности почвенно-климатических условий Камчатской области в связи с возделыванием мятлика лугового...... 43

2.2.1. Метеорологические условия в годы проведения

исследований (1992-1996 гг.).......................... 46

2.3. Методы лабораторного анализа

2.3.1. Исследование микроспорогенеза и анализ фертильности

пыльцы................................................ 50

2.3.2. Цитоэмбриологический анализ........................... 51

2.3.3. Электрофоретический анализ запасных белков эндосперма. 52

2.3.4. Математическая обработка данных....................... 55

ГЛАВА 3, РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ В ПИТОМНИКАХ

3.1. Результаты изучения первого инбредного поколения

в питомнике отбора.................................... 57

3.2. Изучение второго инбредного поколения в селекционном питомнике............................................. 68

ГЛАВА 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ СПОСОБОВ РАЗМНОЖЕНИЯ У МЯТЛИКА ЛУГОВОГО

4.1. Значение полиэмбрионии в диагностике апомиксиса....... 78

4.2. Значение антморфологического анализа для определения способов размножения у Роа pratensis.................. 82

4.3. Использование анализа запасных белков эндосперма для идентификации способа репродукции

4.3.1. Влияние различных способов экстракции и обработки экстрактов на разделение белков....................... 94

4.3.2. Результаты выборочного анализа различных сортообразцов 97

4.3.3. Результаты электрофоретического анализа стандартного образца N 52 сорта Йыгева.............................100

4.3.4. Сравнение эффекта различных режимов опыления у сортообразца N 95 Мурманской популяции................103

4.3.5. Результаты электрофоретического анализа инбредных

семян Ig Курильской популяции N 379................... 111

4.4. Результаты выборочной цитоэмбриологической проверки...114

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................:..................121

ВЫВОДЫ................................................126

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................130

Приложение

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Разработка эффективных программ, основанных на использовании исходного материала с апомиктичес-ким способом семенной репродукции, - новый метод селекции культурных растений.

Мятлик луговой (Роа pratensis L.) - многолетнее корневищное растение из семейства Злаковые (Роасеае), трибы мят-ликовые (Роаеае), рода Мятлик (Роа L.). Роа pratensis обладает широким естественным ареалом, кариологическим полиморфизмом и высокой репродуктивной пластичностью, обеспечивающими широкую экологическую амплитуду и адаптацию к суровым условиям. На Дальнем Востоке нашей страны представители рода Роа занимают первое место среди злаков. Территория Камчатки - древний центр видового разнообразия этого рода - из 25 видов Роа 20 аборигенных и только 5 заносных.

Для сельского хозяйства Камчатской области перспективно многоцелевое использование мятлика лугового - ценной кормовой (сенокосной и пастбищной), газонной и почвовосстанавли-вающей культуры. Но, несмотря на богатство исходного материала для селекции, местных сортов мятлика нет до сих пор. Исходным материалом селекции должны стать, в первую очередь, аборигенные формы, приспособленные к специфическим условиям выращивания. Каждое из направлений селекции нуждается в специализированном материале, при общих требованиях семеноводства - самоплодности, равномерном созревании, неосыпаемости, сыпучести и высокой всхожести семян.

Задачи селекции могут быть рационально решены только на основе знаний о репродуктивной стратегии, определяющей се-

лекционную стратегию. У большинства биотипов Роа pratensis установлена склонность к апомиксису, но уровень ее различен (Жиров, 1968, 1969; Мирошниченко, 1971; Matzk, 1991, 1992; Hubb, 1992).

Способностью к апомиктическому способу образования семян обладают растения мятлика с самым разнообразным сочетанием признаков, что обеспечивает богатый материал для выведения новых сортов.

В настоящее время селекция апомиктически размножающихся растений находится в стадии становления. Результаты изучения и использования репродуктивных особенностей важны не только для создания исходного материала для интродукции и селекции мятлика, но и для решения проблемы взаимосвязи апомиксиса и формирования биоразнообразия.

Цель и задачи исследования. Цель данной работы - разработка рациональных путей создания исходного материала мятлика лугового для многоцелевого использования в селекционных программах.

В задачи исследования входило:

1. Изучение и отбор фенотипов, наиболее продуктивных и приспособленных к выращиванию в условиях Камчатской области.

2. Сравнительное изучение изменчивости биоморфологических и репродуктивных признаков в и 12 потомствах сортооб-разцов.

3. Определение эффективности применения теста на полиэм-брионию и метода антморфологического анализа для диагностики и скрининга апомиктического способа репродукции.

4. Использование метода электрофоретического анализа за-

пасных белков эндосперма семян для идентификации индивидуальных генотипов и форм апомиксиса.

5. Формирование коллекций генотипов:

- обладающих факультативным апомиксисом;

- маркированных по компонентным спектрам запасных белков эндосперма.

6. Клонирование идентифицированных генотипов - носителей хозяйственно-ценных признаков и их объединение в группы, для создания синтетических популяций-моделей полово-апомиктичес-ких комплексов.

Основные результаты исследований и их научная новизна.

В данной работе впервые:

- выяснено, что апомиксис и амфимиксис могут существовать в одном генотипе, что обусловливает изменчивость по способам размножения в потомствах Роа pratensis, полученных в режиме самоопыления.

- установлено соответствие между данными статистического анализа биоморфологических признаков с результатами ант-морфологического, электрофоретического и цитоэмбриологи-ческого анализов 11 и 12 мятлика лугового;

- подтверждена возможность использования метода антморфоло-гического анализа для первичной оценки способности к апо-миктическому размножению у Роа pratensis;

- модифицирована, применительно к объекту техника электрофоретического анализа индивидуальных зерновок;

- выявлена возможность использования электрофоретического анализа компонентного состава запасных белков эндосперма семян не только для паспортизации индивидуальных геноти-

пов, но и для идентификации типов и форм апомиксиса;

- подтверждена возможность развития автономного апомиксиса у мятлика лугового;

- создана коллекция апомиктически размножающихся генотипов мятлика лугового - носителей хозяйственно- ценных признаков.

Научная и практическая значимость работы:

- выделены наиболее приспособленные к местным условиям высокопродуктивные сортообразцы мятлика лугового;

- показан высокий уровень изменчивости по всем изученным признакам, в том числе репродуктивным. Проведен индивидуальный отбор лучших фенотипов в Ii и 12 в наиболее адаптированных сортообразцах.

- проведена и показана эффективность антморфологического и биохимического методов идентификации апомиксиса у Роа pratensis;

- сформированы коллекции перспективных генотипов, носителей хозяйственно-ценных признаков, маркированных по компонентному составу и идентифицированных по способу семенной' репродукции;

- намечен путь использования явления факультативного апомиксиса в селекционной стратегии мятлика лугового наиболее соответствующий репродуктивной стратегии вида.

Защищаемые положения.

1. Факультативный характер апомиксиса у Роа pratensis обусловливает изменчивость по способам размножения.

2. В селекционных схемах рационально использовать в качестве исходного материала паспортизованные индивидуальные генотипы.

3. Для диагностики и скрининга апомиксиса равноправно могут применяться методы антморфологического и биохимического анализа.

4. Создание самоподдерживающихся синтетических популяций -смеси хозяйственно- ценных генотипов, обладающих факуль-тативно-апомиктическим способом репродукции, перспективно для ускорения селекционного процесса у мятлика лугового.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Распространение, систематика и биологические особенности мятлика лугового (Роа pratensis L.).

Роа L. - один из самых крупных родов среди трибы мятли-ковых (Роеае) семейства злаковых (Роасеае), включающий около 300 видов, 84 из них встречаются на территории России. Обширный ареал рода включает все климатические зоны (Шишкине-кая, 1994).

По мнению Р.Ю. Рожевица (1935) род Роа L. обособился еще в миоцене. Наибольшее разнообразие рода наблюдается в умеренных и холодных регионах, а также в верхних поясах гор тропических областей обоих полушарий.

Hartley (1962) на основании данных более, чем 300 флористических списков полагает, что распространение рода Роа зависит скорее от температурного режима, чем от количества осадков. Мятлики составляют более 15% травянистой флоры Аляски, Исландии, Камчатки и высокогорья Памира, районов с относительно низкими летними температурами. Прослежена обратная связь между средней июльской температурой и частотой встречаемости видов мятликов.

В работах Р.Ю. Рожевица (1935), А.П. Соколовской (1963), H.H. Цвелева (1964), С.С. Харкевича (1985), O.K. Черепанова (1981) отмечается высокая экологическая специализация видов мятлика.

Мятлик луговой (Роа pratensis L.) - многолетний длинно-корневищный (корневищно-рыхлокустовой) низовой ранний, скороспелый злак с прямостоячими тонкими стеблями высотой (20)

40-80 (120) см, преимущественно озимого типа развития. Корневая система мощная, ползучие корневища образуют плотную дернину. Пластинки листьев шириной 2,5-5,0 мм, плоские или вдоль сложенные, с верхушкой в виде колпачка; язычок длиной до 2 мм, туповатый. Метелки длиной 5-20 см, пирамидальные, во время цветения раскидистые, со слабошероховатыми от рас-сеяных шипиков веточками. Метелка из многочисленных колосков длиной 3-6 мм, с тремя-пятью цветками. Зеленоватые или серовато-фиолетовые чешуи килеватые, безостые. По созревании семян веточки метелок подсыхают, скручиваются в комок, а длинные извилистые волоски при основании цветковых чешуй предохраняют семена от высыпания.

Пленчатая зерновка длиной 2,5-5,2 мм, шириной 0,8-1,0 мм. Нижняя цветковая чешуя широколанцетная, кожисто-перепон-чатая, с узкими пленчатыми краями, с пятью жилками, килева-тая, вдоль киля и прикраевых жилок имеются шелковистые волоски. Каллус туповатый, с густым пучком извилистых волосков, которые требуют после обмолота специальной обработки. Верхняя цветковая чешуя равна или несколько короче нижней, пленчатая, по килям с густо расположенными шипиками. Стерженек цилиндрический, вверху усеченный, короткий, голый. Зерновка длиной 2,2-2,5 мм, шириной 0,5-0,7 мм, эллипсоидальная, к верхушке вытянутая. Зародыш составляет 1/4 длины зерновки. Рубчик мелкий, овальный. Масса 1000 семян - 0,3 г. (Пробатова, Степанова, 1971; Цвелев, 1976; Харкевич, 1982, 1985).

Роа pratensis L. - один из самых полиморфных видов рода. Его размножение обеспечивается разнообразием способов репродукции: семенного-полового и апомиктического; вивипарии

- и -

и вегетативного размножения.

Семенная продуктивность высокая. Генеративные побеги многочисленные (в условиях культуры - до 150) на одно растение, способное продуцировать 2000 (и даже до 5000) семян (Рожевиц, 1935, Холмс, 1988). Выращивание мятлика лугового в культуре может обеспечить свыше 5 ц/га семян (Ларин, Агаба-бян, 1950). Среди семян злаковых трав у мятлика лугового наиболее длительный срок послеуборочного дозревания (до 213 дней). Всхожесть семян дикорастущих образцов мятлика лугового, также как и энергия прорастания семян зависит от прохождения ими периода покоя. Средняя всхожесть в природных условиях составляет 30-50%, а в культуре около 50-70% (как дикорастущих, так и интродуцированных форм), но может достигать и 90% (Мирошниченко, 1968).

Прорастает медленно, на свету лучше, чем в темноте. На глубине более 3 см семена не прорастают. Через 3-4 недели после появления всходов образуются многочисленные вегетативные побеги, но в дальнейшем развитие замедляется.

Жизнеспособность и пластичность вида объясняется тем, что основная масса вегетативных побегов и прикорневых листьев располагается в приземном слое, на уровне примерно 10-12 см. Хорошо развитая корневая система расположена в верхнем слое почвы, в горизонте 10-20 см.

Мятлик луговой отличается высокой способностью к вегетативному размножению, образует устойчивые травянистые покрытия с густым травостоем и прочной упругой дерниной.

Ее образованию способствуют корневищные или плагиотроп-ные побеги, начало которым дают почки, округлой формы, расположенные в нижней части зоны кущения. Плагиотропный побег

может выходить на поверхность, переходить к ортотропному росту, и формировать дочерние кусты (Серебрякова, 1965). К концу первого года вегетации материнское растение формирует 2-4 дочерних куста. К концу второго года около 40-45 кустов.

Так, за 3 года, благодаря разрастанию корневищ, растения Р.pratensis посаженные на расстоянии 70x70, смыкаются (Мирошниченко, 1971; Сенаторова, 1976).

Весной мятлик луговой трогается в рост в начале мая. Зацветает в первых числах июля, массовое цветение заканчивается к августу. В начале сентября происходит созревание и осыпание семян. Сроки уборки на семена - с 5 по 15 сентября. Наилучшего развития достигает на второй-третий год жизни. В травостое держится 10-15 лет, при полном доминировании (по некоторым данным и при благоприятных условиях) - свыше 20 лет.

Луговой мезофит, с широкой экологической амплитудой. Встречается в составе травостоя умеренно влажных заливных и суходольных лугов, на относительно дренированных участках, на залежах, по берегам болот и водоемов, на песчаных отмелях, галечниках, в пойменных лесах, на опушках, вырубках и на лесных лугах, среди кустарников, у дорог. Чаще всего он наблюдается в составе разнотравно-вейниковых и злаково-раз-нотравных лугов, а также на низкотравных выгонах с преобладанием клевера ползучего. Лучше всего развивается на плодородных почвах, рыхлых суглинках; на бедных и сырых почвах растет плохо.

Хорошо переносит как временную засуху, так и довольно длительное затопление. Не переносит засоления. Отличается высокой зимостойкостью; хорошо выдерживает суровые зимы,

поздние весенние и осенние заморозки.

Очень отзывчив на улучшение условий и удобрения, преимущественно азотные, а также известкование, в особенности на подзолистых почвах. Наиболее благоприятные почвы - с рН 5,5-7,0 (Богатова, 1976).

Наивысший урожай получают на плодородных средневлажных супесчаных и суглинистых почвах при достаточной аэрации, при залегании грунтовых вод на глубине от 0,5 м и ниже; хорошо растет и на плодородных торфяных почвах.

У мятлика, в первые 3 года вегетации, наблюдается увеличение общего количества побегов под стимулирующим влиянием скашивания или стравливания (Борисов, 1980).

Имеет склонность к полеганию, неустойчив к болезням. Повреждается мучнистой росой, ржавчиной, а также гусеницами травяной совки.

Исходным материалом для создания генофонда должны быть, прежде всего, аборигенные формы, устойчивые к специфическим условиям выращивания (Олимпиенко, Титов, Николаевская, 1982; Хорошайлов, 1971).

В условиях Камчатки зимостойкость должна сочетаться с иммунностью мятлика лугового для разных направлений использования. Зимостойкость определяется не только морозостойкостью, но и устойчивостью к болезням, весенн�