Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Внутривидовое разнообразие и наследование солеустойчивости твердой пшеницы (TRITICUM DURUM DESF. )

ВАК РФ 03.00.15, Генетика

Автореферат диссертации по теме "Внутривидовое разнообразие и наследование солеустойчивости твердой пшеницы (TRITICUM DURUM DESF. )"

Р Г Б ОД

О S ""•;?

На правах рукописи

ШИХМУРАДОВ Асеф Зилфикарович

ВНУТРИВИДОВОЕ РАЗНООБРАЗИЕ И НАСЛЕДОВАНИЕ СОЛЕУСТОЙЧИВОСТИ ТВЕРДОЙ ПШЕНИЦЫ (TRITICUM DURUM DESF.)

Специальность: 03.00.15 — Генетика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1997

Работа выполнена на Дагестанской опытной станции Всероссийского научно-исследовательского института растениеводства им. Н. И. Вавилова в 1992—1996 гг.

Научный руководитель •— заслуженный деятель науки РД, доктор биологических наук Альдеров А. А.

Официальные оппоненты: доктор биологических паук, профессор Б. В. Ригин; кандидат биологических наук И. А. Бажанов-

Ведущая организация — Дагестанская сельскохозяйственная академия.

Защита диссертации состоится » 1997 Г- вч.

на заседании Диссертационного совета К 020.18.01 при Всероссийском научно-исследовательском институте растениеводства им. Н. И. Вавилова по адресу: 190000, г. Санкт-Петербург, ул. Б. Морская, 44.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Всероссийского научно-исследовательского института растениеводства им. Н. И. Вавилова.

Автореферат разослан « ЯЗ* » 1997 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, кандидат сельскохозяйственных наук

В. А. Корнеев.

Общая хкрпктсрмстнкв работы

Актуальность работы. Засоление почвы - один из экстремальных факторов, распространенный на очень больших территориях как в нашей стране, так и во веем мире. Е 1а все культивируемые ваты растений-этот фактор оказывает негативное влияние, степень которого тем больше, че*г выше уровень злеолеппя. Отрицательное влияние засоления проявляется в ухудшении многих свонсгв и функции растении и в итоге приводит к снижению их продуктивности (Удовенко, 1977).

Исследование эгон проблемы ведется в основном в двух направлениях: - во-первых, нзученне физиологических механизмов солеустончнвостн н изменении, происходящих в растении под воздействием засоления; и во-вторых, селекционные работы по выведению солеустончивых сортов. В последнем случае особое значение имеет познание генетической детерминации способности растении противостоять воздействию экстремального фактора внешней среды.

Литературные данные свидетельствуют о том, что тетраплондные виды, в том числе п твердая пшеница (ТпНсшп с1ишт ОевГ.), в этом отношении наименее изучены, хотя разнообразие и ареал распространения твердой пшеницы достаточно широк. Поэтому исследование наследственного разнообразия и закономерностей наследования солеустончнвостн у этого важного для сельскохозяйственного производства вида пшеницы весьма актуально дат повышения эффективности селекционного процесса.

Цель и задачи исследования. Основной целью наших исследовании явилось выявление закономерностей наследования и изменчивости устойчивости растений твердой пшеницы (Т.с1игшп ОезГ) к высокому содержанию ИаС1. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1) исследование внутривидового и внутрисортового полиморфизма твердой пшеницы по солеустончнвостн;

2) изучение характера наследования признака солеустончнвостн;

3) выделение источников и доноров солеустойчгаости твердой пшеницы.

Научная ноетнп н практическая ценность. В настоящей работе впервые проведено исследование внутривидового и внутрисортового разнообразия твердой пшеницы гю устойчивости к высокому содержанию КаС1 в почре.

На основании изучения большого разнообразия вида, вкшочающего в себя местные стародавние и селекционные сорта, а также новые образцы мировой коллекции ВИР, наиболее полно показан характер наследственной изменчивости твердой пшеницы по солеустойчивостн. Как оказалось, в сортах могут быть представлены биотипы с различным уровнем потенциальной солеустойчивостн, который проявляется только на провокационных фонах.

Впервые изучен генетический контроль солеустойчивостн твердой пшеницы в фазе проростков и установлено, что различия отдельных образцов пшеницы по этому признаку могут контролироваться одним, двумя или тремя доминантными генами. Некоторые чувствительные к экстремальному фактору формы пшеницы могут также иметь гены, обуславливающие повышенную солеустойчивоеть.

Выделенные нами сорта и линии твердой пшеницы с идентифицированным генетическим материалом, обуславливающим солеустойчивоеть, представляют интерес для селекции в качестве ценного исходного материала.

Апробация работы. Результаты работы были доложены на научных конференциях молодых ученых ВИР, ученых советах Дагестанской опытной станции ВИР (1992-1996гг.), в отделе генетики ВИР (1992-1996гг), на юбилейной конференции, посвященной 60-летию ДОС ВИР. По материалам диссертации опубликованы 3 статьи.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, трех глав экспериментальной части, выводов, списка используемой литературы( включающего 122. наименований, в том числе 48 работ на иностранных языках. Работа изложена на 83 страницах машинописного текста, имеет 14 таблиц и 7 рисунков.

Условии проведения исследований, материал и методы

Полевые, вегетационно-полевые и лабораторные исследования проводили в 1992-1996 гг. на Дагестанской опытной станции ВИР. Территория станции находится на 17 м ниже ур.м. Почвы каштановые, среднегумусные, глубоко столбчатые солонцы, тяжело суглинистой разности. Климат сухой, субтропический. Основное количество осадков выпадает в осенне-зимний период (80-90% годовой нормы). Самый холодный месяц январь (+1°С),

самый теплый - июль (+26°С). Близость моря и искусственное орошение обуславливают высокую относительную влажность воздуха.

Материалом для исследовании служили 700 образцов твердой пшеницы из мировой коллекции BMP разного эколого-географического происхождения.

Оценку солеустончнвостн образцов проводили по методике ВИР (1988) рулонным методом, который основан на оценке снижения интенсивности роста растении в растворах соли (NaCl) различной концентрации и в дистиллированной воде. Использованы два фона засоления 0,7 н 0,9 МПа. Все изученные образцы были разделены на три группы: 1 - устойчивые -солеустойчнвость выше 80% при концентрации 0,7МПа, и выше 60% при 0,9N4Па; 2 - среднеустоГрпгаые - солеустойчнвость выше 60% при 0,7МПа, и выше40%прнО,9МПа ; 3 - чувствительные - солеустойчнвость меньше60% при 0,7МГ1а, н меньше 40% при концентрации 0,9МПа.

Для выявления наиболее солеустойчшшх образцов, а также внутри-сортового полиморфизма был использован вегетационный метод разработанный в.отделе физиологии растений ВИР (Удовенко Г.В., 1977).

Для изучения генетического контроля устойчивости к засолению был использован классический гибридологический анализ, а также его модификации (Powers, 1951; Мережко, 1984). Статистическую обработку данных проводили по П.Ф.Рокицкому (1973) и Б.А.Доспехову (1985). Степень доминирования определяли по G.V.Beil, R.E.Atkins (1965). Критерием оценки гомо- и гетерозигогности семей Fj служили стандартное отклонение и коэффициент вариации длины пророаков растений. Гомозиготными считали семьи, у которых зти показатели находились на уровне родительских форм; трансгрессивными формами считали те, параметры изменчивости которых выходили за крайние классы распределения длины проростков растений родительских форм. Степень соответствия полученных в опыте соотношений фенотипов с разной устойчивостью теоретически ожидаемым определяли по критерию хн-квадрат.

Результаты исследований Измогпшосгь тпердоп тненицы по устойчивости к засолении»

Внутривидовое разнообразие. Для успешного изучения наследования солеустойчнвосги необходимо знать степень варьирования изучаемого признака в пределах рода, Рида и сорта. С этой целью была пропело-

на оценка 700 образцов твердой пшеницы из мировой коллекции ВИР. Коллекция была представлена местными формами и селекционными сортами из различных регионов земного шара: Россия, Средняя Азия, Азербайджан, Украина, Западная и Северная Европа. Отбирая для работы образцы, мы старались представить различные регионы: с почвами, подверженными засолению и незаселенными. -

Исследования внутривидового наследственного разнообразия устойчивости растений мировой коллекции твердой пшеницы к N801 показали наличие большой амплитуды изменчивости по этому признаку, т.е. система изменчивости твердой пшеницы по этому признаку является очень богатой и включает в себя генетический потенциал от неустойчивых (10% -40% по сравнению с контролем при засолении ЫаС1 0,7МПа) до высоко устойчивых образцов (80% и более). Устойчивые и неустойчивые к засолению формы представлены во всех эколого-географических группах, но частота их встречаемости неодинакова; устойчивые образцы чаще встречаются в районах с аридными условиями и значительным распространением засоленных почв. Так, например, из 54 проанализированных образцов из Азербайджана 20 оказались высокоустоичивыми, солеустойчивость у которых при засолении 0,7МПа превышала 80%. Определенный научный и практический интерес имеет информация вегетационного опыта с использованием питательной смеси Клопа. Так, на ранних фазах развития растений (всходы, кущение) образцы твердой пшеницы проявляют слабую устойчивость, а на поздних фазах солеустойчивость увеличивается. Возрастающая к колошению устойчивость, вероятно, является проявлением организменной адаптации растений к накоплению токсических ионов.

Как показал сравнительный анализ данных лаборатор'ных и вегетационных опытов, оценка солеустойчиеости в проростках в лабораторных условиях практически полностью совпадают с результатами, полученными в вегетационном опыте на взрослых растениях. Данное обстоятельство в значительной мере облегчает проведение подобных исследований и позволяет экспериментатору освободиться от неконтролируемых условий полевого опыта и ограничиться оценкой солеустойчнвости в условиях лаборатории. Больше того, результаты опытов в ювенильлый период развития растений можно в определенной степени рекомендовать и для целей практической селекции,-

Внутрисортовое разнообразие. Одной из задач наших исследовании являлся анализ внутрисортовой изменчивости по солеустойчи-

вости. Для этой цели мы использовали по 30 предварительно выделенных линий каждого из 6 образцов твердой пшеницы: к-16470, Марокко; к-15777, Израиль; к-46869 и к-31542, Азербайджан; к-58268, Сирия; к-58732, Дагестан. Первые четыре образца - устойчивые при 0,9МПа - 60-70%, образцы к-58732 и к-58268 чувствительные к засолению при 0,9МПа до'30" п. Обнаружены существенные различия по устойчивости к засолению между линиями одного сорта. Б некоторых случаях внутрнсортовые различия превышали межсортовые; ныделены очень чувствительные и очень устойчивые линии. Интересно отметить, что у устойчивых к засолсшпо образцов частота встречаемости линий с разной солсустоичивостыо высокая, а у чувствительных форм обнаружили очень низкий выход сравнительно устойчивых линий, причем они но солеустойчивости уступали линиям, выделенным из популяции солеустоичивых форм.

Таким образом, результаты изучения внутрисортового разнообразия свидетельствуют о том, что в сортах могут быть представлены формы с различным уровнем потенциальной солеустойчивости, который проявляется только на провокационных фонах. Эти же данные представляют интерес для практического повышения солеустойчивости твердой пшеницы, как возможности отбора более солеустоичивых линий внутри существующих солеустоичивых сортов. •

Наследонашгс солеустои'птосш твердой пшеницы

В эксперименты по изучению наследования устойчивости твердой шигннцы к повышенному содержанию соли №С1 в почвенном растворе были взяты следующие образцы: устойчивые - к-46798, к-46718, к-46660, к-31542 из Азербайджана; к-16470, Марокко; к-15061, Израиль (при 0,7МПа выше 80%); чувствительные - к-58268, Сирия и к-16512, Туннс(при 0,7МПа до 30%).

Характеристика гибридов Р1. В условиях засоления КаС1 солеустой-чивость растений Р'| по всех 12 изученных комбинациях была близка к устойчивому родителю. Таким образом, в этих комбинациях высокая соле-устойчивость являлась доминантным признаком.

Достоверных различий у растений реципрокных Р| гибридов не обнаружено, что свидетельствует об отсутствии влияния цитоплазмы на проявление солеустойчивости у данного набора образцов твердой пшеницы-

Анализ Fi и F3 гибридов солеустойчивых и солечувствнтельных образцов. Анализ гибридов Рг и Fj проведен у 7 гибридных комбинаций.

Рассмотрим гибридную комбинацию устойчивого образца к-46798 с чувствительным образцом к-58268. Во втором поколении гибридов этой комбинации было обнаружено расщепление близкое к моногенному 3:1, х2 = 0,13 (табл.1; рис.1). Изучение потомств индивидуальных растений F2 в Рз показало, что все обнаруженные в F2 солеустойчнвые растения дали в потомстве как расщепляющиеся, так и не расщепляющиеся по изучаемому признаку семьи. Потомства чувствительных к соли растений второго поколения представляют класс рецессивных гомозигот F3, а потомства устойчивых растении Р2 - класс доминантных гомо- и гстерознгот. Мы считаем, что в группу устойчивых семей попали генотипы 1АА; 1Аа; а в группу неустойчивых - 1аа. Следовательно, различие по солеустойчивости этих образцов контролируется одним доминантным геном (табл. 1,2).

Таблица l.Pacmeiuieiuie по солеустойчивости тбридов твердой пшеницы

Комбинация Всего растении Ol ношение солеустойчивых растений к неустойчивым Соотношение *2

фактическое теоретическое

к-46798 ХК-58 '68 711 529 : 182 533,25:177,75 .3:1 0,13

к-58268 х к-46798

к-46718 х к-58268 588 560 : 28 551,25: 36,75 15: 1 2,21

к-58268 * к-46718

к-31542 хк-58268 423 413 : 10 416,39: 6,60 63: 1 1,76

к-46660 х к-16512 243 236: 7 239,20: 3,70 63: 1 2,75

к-16470 х ic-16512 324 303 : 2 1 303,75: 20,25 15:1 0,02

В Рг к-46718 х к-58268 было расщепление близкое к 15 : 1, •/} = 2,21 (табл.1; рнс.2), что характерно для дигенного контроля признака. Потомства всех растений Рг были также изучены в третьем поколении (табл.2). Среди-274 семей Рз 21 оказались рецессивными гомозиготами, а все остальные растения из классов солеустойчивых форм дали в потомстве как расщепляющиеся, так и нерасщепляющпеся по солеустойчивости семьи. Следовательно, можно предположить, что различие по солеустойчивости у образцов к-46718 и к-58268 контролируется как минимум двумя доминантными генами. Аналогичные данные получены и при исследовании гибри-довобразцовк-16470ск-16512 (табл.2). •

Таблица 2.Расщепление по солгуiToiWiiuocrTn шбрнлов Fj твердой шлмшиы

Всего - Отношение ссмсм гомози-

Комбинация сем cil готных устойчивых и гете-

розиготных к гомозигот- Соотно- X2

ным неустойчивым шение

фактическое. теоретическое

к-46798 хк-58268 244 204 ; 55 "1 198,00: 66 3: 1 2,44

к-46718 хк-58268 274 253: 21 256,87: 17,12 15: 1 0,93 ,

к-31542 хк-58268 322 314: 8 316,96: 5,03 63: 1 1,78

K-46d(iO х к-!6512 243 236: 7 239,20: 3,79 . 63: I 2,75

к-|6470х к-16512 324 298: 26 303,75: 20,25 15: 1 1,73

В 1'г устойчивого образца к-31542 с чувствительным к-58268 было расщепление, близкое к трехгенному: 63:1, %г =1,76 (табл.1; рис.3). Согласно анализу семей третьего поколения (табл.2), все солечувствительные растения Fî оказались рецессивными гомозиготами, а все солеустоичшые растения дали в потомстве как расщепляющиеся, так и . нерасщенляющиеся по солеустойчивосги семьи. Следовательно, устойчивый образец к-31542 (Азербайджан) различается с солечувствительным образцом к-58268 (Сирия) как минимум тремя доминантными полимерными генами. Аналогичная картина расщепления й Fj и F} обнаружена и в комбинации к-46660 х к-16512 (табл. 1,2).

Для выяснения идентичности генов, контролирующих солеустойчивость различных по происхождению образцов твердой пшеницы были изучены гибриды между устойчивыми к засолешно образцами к-46869 (Азербайджан) и к-1 JC51 (Израиль). Среда гибридов.Fj -и F3 отмечен широкий спектр изменчивости: выщеилялчеь формы как с высокой солсусточнвостью, так а очень чувствительные, солеустойчивость которых была достоверно ниже, чем у чувствительного к заселенно образца к-16512 (Тунис). Можно предположить, что солеустойчипость сортов из географически отдаленных регионов контролируется различными генетическим системами.

Таким обрязом, исследование характера генетической детерминации устойчивоеги к высокому содержанию NaCl в почленном растворе покапало, что данный признак ттердой пшеницы, как и многие другие адаптивные особенности растений злаков, является доминантным н наследственные различив между устойчивыми и неустойчивыми формами определяется реке одним, чаще двумя н гремя генами. Некоторые высоко-устойчивые формы возможно имеют разные гены, контролируючше этот признак.

выводы

1. Вид твердой пшеницы Triticum durum Desf. включает большое разнообразие наследственных вариантов по устойчивости к засолению почвы NaCl. Чаще всего устойчивые формы этого вида пшеницы встречаются в районах с аридными условиями и значительным распространением засоленных почв.

2. В пределах сорта могут быть обнаружены формы с различной устойчивостью к высокому содержанию NaCl.

3. Высокая устойчивость растений в ювенильный период к засолению NaCl (0,7МПа) у твердой пшеницы частично доминирует над восприимчивостью с некоторым уклонением в сторону устойчивого родителя.

4. Генетический контроль различий по устойчивости к засолению в ювенильный период между формами твердой пшеницы может определяться аллелями одного, двух и трех генов. * *

5. Некоторые высокоустсичнвые к засоленшо формы возможно имеют разные гены, контролирующие этот признак.

6. Выделенные нами образцы твердой пшеницы (к-46798, к-46718, к-46660, к-31542, к-46869, к-15061, к-16470) с генами, контролирующими высокую устойчивость к повышенному засоленшо почвы, представляют собой ценный исходный материал для селекции.

7. Формы с идентифицированными генами, контролирующими солеустойчивость, целесообразно использовать в анализе структуры генотипа твердой пшеницы, определяющего адаптивные функции растений.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1.Шихмурадов А.З. Внутривидовое разнообразие твердой пшеницы (T.durum Desf.) по солеустойчивости // Бюл.ВИР. - 1995. - Вып.234, - С.15 -18.

2.Шихмурадов А.З., Альдеров A.A. Генетический потенциал твердой пшеницы (Triticum durum Desf.) по солеустойчивости // Тр. по прикл. бот., ген и сел. ВИР. - 1997.-Т, 154. - С.54-58.

3.Шихмурадов А.З. Наследование солеустойчивости гибридами Fi, F2 и F3 твердой пшеницы (Triticum durum Desf.) Н Тр.' по прикл. бот., ген и сел. ВИР. - 1997. -Т.154. - С.85-88.