Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Продуктивность и качество зерна интрогрессных линий яровой мягкой пшеницы в Нижнем Поволжье

ВАК РФ 06.01.05, Селекция и семеноводство

Текст научной работыДиссертация по сельскому хозяйству, кандидата сельскохозяйственных наук, Чернева, Ирина Николаевна, Саратов

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК

Ордена Трудового Красного Знамени научно - исследовательский институт сельского хозяйства Юго-Востока

На правах рукописи

Чернева Ирина Николаевна УДК 633.111."321": 631.527.

ПРОДУКТИВНОСТЬ И КАЧЕСТВО ЗЕРНА ИНТРОГРЕССНЫХ ЛИНИЙ ЯРОВОЙ МЯГКОЙ ПШЕНИЦЫ В НИЖНЕМ ПОВОЛЖЬЕ. (06.01.05. - селекция и семеноводство)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

Научный руководитель -доктор биологических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ В. А. Крупное

Саратов 1999.

СОДЕРЖАНИЕ. Стр.

ВВЕДЕНИЕ. 3

ГЛАВА 1 .КРАТКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. 6

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 18 ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛ, МЕТОДЫ И УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ

ЭКСПЕРИМЕНТОВ. 19

2.1. МАТЕРИАЛ. 19

2.2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. 23

2.3. УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ. 28 ГЛАВА 3. ПРОДУКТИВНОСТЬ ИНТРОГРЕССНЫХ ЛИНИЙ. 34

3.1. УСТОЙЧИВОСТЬ К БОЛЕЗНЯМ. 34

3.2. ВЕГЕТАЦИОННЫЙ ПЕРИОД. 41

3.3. ВЫСОТА РАСТЕНИЙ. 44

3.4.УРОЖ АЙНОСТЬ ЗЕРНА. 53 ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 61

ГЛАВА 4. ХЛЕБОПЕКАРНЫЕ КАЧЕСТВА ЗЕРНА. 62

4.1. СОДЕРЖАНИЕ БЕЛКА В ЗЕРНЕ. 63

4.2. СОДЕРЖАНИЕ И КАЧЕСТВО КЛЕЙКОВИНЫ. 69

4.3. КАЧЕСТВО ХЛЕБА. 87 ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 93

ГЛАВА 5. КАЧЕСТВО СПАГЕТТИ. 94

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 105

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ. 106

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ 107

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ. 108

ВВЕДЕНИЕ.

Во второй половине 20-го века в Нижнем Поволжье повысилась среднегодовая температура воздуха, в основном за счет повышения среднесуточных температур в холодное время, возросло увлажнение, однако, количество осадков за период вегетации яровых пшениц не увеличилось, участились годы с сочетанием экстремальных температур и засух (Крупнов В.А.,* 1997) Потепление климата, а также изменившиеся производственные отношения на селе, отразились на урожайности и структуре посевных площадей. Сократилась доля посевов яровых пшениц, особенно резко уменьшились посевы яровой твердой пшеницы.

В сложившихся условиях особое значение приобретает селекция на адаптивность к абио - и биострессам и на повышение качества.

В условиях Поволжья засушливые и жаркие сезоны встречаются с частотой раз в три - четыре года. В благоприятные же годы резкое снижение урожайности связано с эпифитотиями бурой листовой ржавчины, мучнистой росы, повреждениями посевов хлебным пилильщиком, жуком-кузькой, клопом черепашкой и другими вредителями. Особый урон посевам наносят различные вирусные заболевания. В связи с этим, задача расширения генетической изменчивости за счет использования нужных генов от других видов рода ТгШсит, Agropyron, Agilops, 8еса1е и др. весьма актуальна.

В лаборатории генетики и цитологии НИИСХ Юго-Востока на протяжении многих лет ведется работа по созданию гибридов мягкой пшеницы с твердой, полбой, различными видами пырея и другими сородичами культурной пшеницы, которые являются потенциальными донорами ценных генов, определяющими адаптивность к различным условиям среды, устойчивость к болезням. С привлечением генов пырея удлиненного в лаборатории созданы сорта яровой мягкой

пшеницы JI503 и J1505 (Крупнов В.А., Воронина С.А., Сибикеев С.Н., 1994, Воронина С.А., 1994).

С точки зрения использования зерна яровой мягкой пшеницы, в России особое внимание, до последнего времени, уделялось хлебопекарным показателям. Между тем, сейчас повышается интерес к использованию ее и для изготовления различных недрожжевых продуктов (лапша, макароны, спагетти и др.). Таким образом, создание линий и сортов яровой мягкой пшеницы, имеющих двойное назначение, для хлебопечения и изготовления макаронных изделий, весьма актуально. В этом направлении исследования начинались еще Шехурдиным А.П. (Марушев А.И., 1968). Во многих зарубежных странах они получили весьма большой размах (Bushuk М, 1998; Kovacs M.I.P. et al., 1998; Crosbie G.B. et al., 1996).

Настоящая работа является одним из разделов тематического плана лаборатории генетики и цитологии НИИСХ Юго-Востока.

Цель и задачи исследований.

1. Сравнить продуктивность и изучить реакцию на жару и засуху, а также на устойчивость к болезням линий яровой мягкой пшеницы, несущих транслокации от Triticum durum, Triticum dicoccum, Agropyron intermedium, Agropyron elongatum.

2. Оценить хлебопекарные качества интрогрессных линий.

3. Изучить возможность использования новых интрогрессных линий яровой мягкой пшеницы для изготовления спагетти.

Научная новизна.

Изучена продуктивность и реакция на абио- и биострессы новых линий яровой мягкой пшеницы, несущих транслокации от Triticum durum, Triticum dicoccum, Agropyron intermedium, Agropyron elongatum.

Выделены линии, характеризующиеся сочетанием высокой продуктивности, устойчивости к листовой ржавчине, жаре и засухе.

Оценены хлебопекарные свойства и качество спагетти из зерна интрогрессных линий.

Выявлены линии яровой мягкой пшеницы, сочетающие высокую продуктивность, устойчивость к абио- и биострессам и хорошее качество хлеба, а по качеству спагетти, приближающиеся к сортам твердой пшеницы.

Изучена насыщенность цвета муки у сортов и интрогрессных линий, выявлены значимые различия между ними по этому признаку.

Практическая ценность работы.

Интрогрессные линии, сочетающие высокую продуктивность, устойчивость к болезням и хорошие показатели качества зерна, вовлечены в скрещивания в качестве доноров ценных генов.

Апробация работы. Результаты исследований доложены на семинарах и заседаниях лаборатории генетики и цитологии НИИСХ Юго-Востока в 1996, 1997 годах; на Международной научной конференции "Развитие научного наследия академика Н.И.Вавилова" - ноябрь, 1997, Саратов; на Всеросийской научно-практической конференции "Достижения и перспективы развития селекции и семеноводства сельскохозяйственных культур" - 12-13 марта, 1999, Пенза.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано шесть работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, практических рекомендаций и списка литературы. Текст изложен на 107 страницах, содержит 26 таблиц и 9 диаграмм. Список использованной литературы содержит 157 источников, в том числе 37 на иностранных языках.

ГЛАВА 1. КРАТКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

Поволжье - один из крупнейших регионов производства зерна яровых и озимых пшениц в России. В Саратовском селекцентре селекция пшеницы ведется с 1910 года. Здесь создано много сортов, занимавших миллионы гектаров посевных площадей. Они характеризуются высокой засухоустойчивостью, отличными хлебопекарными качествами, но недостаточным уровнем устойчивости против патогенов. Почти 90-летний опыт научной селекции свидетельствует о том, что здесь наиболее остро стоит проблема поиска генов и их систем, которые бы позволили поднять на более высокий уровень устойчивость пшениц к жаре и засухе, вредителям, болезням, поддерживать на высоком и стабильном уровне хлебопекарные и макаронные качества зерна (Крупнов В.А.,1994). Местный материал не может в должной мере обеспечить повышение продуктивности и устойчивости к неблагоприятным условиям. Вовлечение же в скрещивания сортов яровой мягкой пшеницы из мировой коллекции ВИР не всегда позволяет выявлять высокоэффективные доноры устойчивости к различным болезням и вредителям. Все это побуждает селекционеров использовать генетический материал других видов пшениц и ее отдаленных сородичей.

Так уже в первые годы на саратовской опытной станции Шехурдин А.П. (1961) получил гибриды от скрещивания сорта мягкой пшеницы Полтавка с сортом твердой пшеницы Белотурка, из которых были выведены сорта сильной пшеницы Сарруба и Сарроза, послужившие исходным материалом для выведения новых высококачественных сортов.

Саратовские генетики и цитологи в 30-ые годы вели работы по гибридизации пшеницы с рожью, различными видами пырея и эгилопса. Первые положительные результаты по скрещиванию мягкой пшеницы с Agropyron intermedium были получены Цициным Н.В (Цицин, 1954). В последующие годы были проведены большие работы

по скрещиванию A.intermedium, A.elongatum, A.trichophorum с большим числом различных сортов мягкой и твердой пшеницы. В 1936 году на опытной станции имелось около восьми тысяч растений первого поколения пшенично-пырейных гибридов различных комбинаций. Верушкиным С.М. (1936) были получены плодовитые гибриды первого поколения между T.aestivum и A.elongatum, T.durum и A.intermedium, A.trichophorum. Он также отметил, что плодовитость гибридов первого поколения зависит от подбора родительских форм. На Саратовской станции среди многочисленных образцов 3-5-го поколения удалось выделить многолетние образцы, близкие по типу колоса к мягкой пшенице, нормально плодовитые, не поражающиеся ржавчиной, головней, спорыньей. Артемовой А.С. (1937) также удалось получить пшенично-пырейные гибриды, устойчивые к головне и ржавчине. Однако, после ареста ученых в 1937 году исследования в этом направлении прекратились. Созданные Верушкиным С.М. пшенично - пырейные гибриды были уничтожены.

Следует отметить также работы Цицина Н.В. по отдаленной гибридизации. С 1931 по 1937 годы он получил большое число межродовых гибридов от скрещивания мягкой пшеницы (Triticum aestivum) с твердой (T.durum) и некоторых других пшениц с различными видами пырея (Agropyron glaucum, A.elongatum, A.trichophorum, A.junceum). Он внес большой вклад в теорию и практику отдаленной гибридизации растений. Экспериментальным путем был создан 56-хромосомный вид пшеницы Triticum agropyrotriticum Cicin с двумя подвидами (Цицин Н.В., 1935,1978, Андреев JI.H. и др., 1998). Однако, ни один из созданных Цициным Н.В. и его учениками гибридов между пшеницей и пыреем не получил распространения в Поволжье.

В 1973 году сотрудниками лаборатории генетики и цитологии НИИСХ Юго-Востока были возрождены и продолжены на новой основе работы генетиков 20-30 годов. Поскольку многие сородичи

мягкой и твердой пшеницы характеризуются устойчивостью ко многим абио- и биострессам, в лаборатории была развернута работа по выявлению соответствующих доноров и переносу нужных генов в генотипы сортов и линий, адаптированных к условиям Поволжья (Крупнов В.А., 1995). На основе пырейных транслокаций (от А.е1о1^аиш1) в генофон яровой мягкой пшеницы были созданы сорта Л503, Л505. Они получили широкое распространение в ряде областей и республик Нижнего и Среднего Поволжья, Урала и ЦентральноЧерноземной области. Сорта, содержащие пырейный ген (Ьг 19) устойчивости к бурой листовой ржавчине, в годы эпифитотий обеспечивали надежную защиту посевов и давали значительную прибавку урожайности. Так, например, в эпифитотийные 1990-ый и 1993-ий годы прибавка в урожайности сорта Л503 составляла, по отношению к Саратовской 58 - 36% - 34%, к Саратовской 29 - 62% -44%, соответственно (Крупнов В.А., 1997). Следует также отметить, что по качеству эти сорта отнесены к ценным пшеницам. Этот опыт свидетельствует о том, что использование генетических ресурсов сородичей пшеницы представляет интерес. Использование в селекционных программах, наряду с внутривидовыми, межвидовых и межродовых скрещиваний позволило саратовским селекционерам, полностью сохранив местную зародышевую плазму, в 3,7 раза расширить генетическую основу современных сортов яровой пшеницы (Мартынов С.П., Добротворская Т.В., 1998).

Таким образом, основной задачей отдаленной гибридизации является обеспечение широкого размаха изменчивости и создание за счет этого более совершенных, экологически пластичных, устойчивых к неблагоприятным, стрессовым факторам, болезням, вредителям сортов и форм, дающих высококачественную продукцию. С помощью метода отдаленной гибридизации в генотип пшеницы вводятся как отдельные чужеродные гены, так и создаются совершенно новые

формы растений, ранее не существовавших в природе (тритикале, неполные пшенично - пырейные амфиплоиды) (Ячевская Г.Л., Наумов A.A., 1990). Интересны особенности формообразовательного процесса отдаленных гибридов. Так, если виды различаются по геномному составу на один геном, а остальные геномы гомологичные, то потомство от гибридизации не выходит, по геномному составу, за рамки исходных форм. T.aestivum AABBDD х Т.durum ААВВ, расщепляются на гибриды AABBDD и ААВВ. Если виды, имеющие гомологичные геномы различаются по двум и более геномам, в потомстве от их гибридизации помимо исходных видов выщепляются формы, отличные от них по геномному составу (Швырев Ю.В., 1994).

Поскольку, основной задачей сельского хозяйства сегодня является переход к сбалансированному, или биологическому земледелию. Это означает максимальное использование природных возможностей растения, в том числе способности возделываемых сортов противостоять болезням и вредителям, что является актуальным сегодня, так как из-за болезней теряется значительная часть урожая. Вот почему, проблеме устойчивости возделываемых растений к неблагоприятным абиотическим и биотическим факторам посвящено множество исследований ученых биологов различных направлений.

Способность противостоять стрессам в растительном мире является скорее правилом, а восприимчивость - исключением. Так как большинство растений устойчивы к большей части патогенов и вредителей (Лутова Л.А., Ходжайова Л.Т., 1998). Генетически обусловленная устойчивость растений к патогенам включает в себя две формы - неспецифическую и специфическую. В соответствии с этим в мировой практике существует два направления селекции на устойчивость - создание сортов, обладающих расоспецифической (вертикальной) и неспецифической (горизонтальной) устойчивостью. Расоспецифическая устойчивость пшеницы к бурой ржавчине

контролируется олигогенами, она легко передается в скрещиваниях от донора потомству. Специфическая устойчивость успешно используется селекционерами США, Канады и Австралии при создании устойчивых к бурой ржавчине сортов пшеницы (Новожилов К.В. и др., 1998). Однако, устойчивость по типу ген-на-ген обеспечивает защиту растения только от определенных, несовместимых биотипов патогена, тогда как к остальным патотипам данное растение полностью восприимчиво. При этом скорость расообразовательного процесса у патогена очень высока, вследствие чего такая устойчивость преодолевается довольно быстро. Темпы преодоления гена устойчивости патогеном определяются, в основном, степенью распространения, то есть достижением сортом какой-то критической посевной площади. Так, достаточно быстро была преодолена расоспецифическая устойчивость сортов Кавказ и Аврора с геном Lr26, Безостая 1 и Мироновская 808 с геном Lr3, Саратовская 46 (Lr 14), Саратовская 56 и Ершовская 32 (Lr 23) (Крупнов В.А., 1997). Примерами расоспецифической устойчивости могут также служить сорта, созданные в НИИСХ Юго-Востока, АС29, Эгисар 29, Пысар 29, Ясар 29, Самсар, Л503, JI505 с генами Lr9, Lrl9 (Воронина С.А., 1994). Пырейный ген Lrl9 выдержал сильнейшие эпидемии ржавчины в 1990 и 1993 годах. Первые вирулентные патотипы на сорте JI503 были обнаружены в 1994 году, что было также связано с широким распространением сорта в центрально-черноземных областях, Поволжье и на Урале. Однако, это не уменьшает достоинств расоспецифической устойчивости. Во-первых, существует мнение, что преодоленные гены расоспецифической устойчивости продолжают функционировать как гены неспецифической устойчивости (Nelson R.R., 1978). Во-вторых, возделывание сортов с учетом эксплуатации различных генов, или применение многолинейных сортов, различающихся по генам устойчивости, дает положительный эффект в деле защиты полей от болезней, а также продлевает жизнь сорта.

Следует также отметить, что объединение в одном генотипе двух преодоленных генов также оказывается эффективным. Возможно, это происходит потому, что против одного гена авирулентна одна часть популяции патогена, а против другого - другая, или имеют место комплементарные эффекты генов (Крупнов В.А., 1997).

Тем не менее, все большее внимание исследователей привлекает явление неспецифической полевой устойчивости. Ее наиболее ценные свойства - постоянство и эффективность действия против всех рас патогена, но механизм этого типа устойчивости пока мало изучен (Лутова Л.А., Ходжайова Л.Т., 1998). Критериями неспецифической устойчивости к бурой ржавчине служат число пустул, образующихся на листовой поверхности растений при заданной инфекционной нагрузке, число спор, продуцируемых пустулами, и длина латентного периода. Этот тип устойчивости был характерен для стародавних сортов Поволжья. При этом типе, несмотря на восприимчивость к патогену, темпы поражения заметно снижаются (удлиняется латентный период, уменьшается спорообразующая способность), и такая реакция на патоген эффективна в течение многих лет. Так, например, у сорта Лютесценс 62 она эффективна около 80-ти лет. Таким образом, более низкие уровни длительной устойчивости полигенной природы чаще предпочтительнее для реального использования. Часто устойчивость умеренной или низкой эффективности вносит существенный вклад в защиту растений. Интрогрессия чужеродных генов в генетическую среду пшеницы приобретает все возрастающие темпы (Mcintosh R.F. et al., 1998).

К выше сказанному следует добавить, что ресурсы устойчив