УДК 633.15: 631.52
Эдуард Балилович ХАТЕФОВ1, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник отдела генетических ресурсов крупяных культур
Сафар Пахауович АППАЕВ2, кандидат сельскохозяйственных наук, научный сотрудник лаборатории селекции и семеноводства кукурузы
Беслан Рашидович ШОМАХОВ2, старший научный сотрудник лаборатории селекции и семеноводства кукурузы
1ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова»;190000, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 42-44
E—mail: haed1967@rambler.ru
2 ФГБНУ «Федеральный научный центр «Кабардино-Балкарский научный центр Российской академии наук»; 360004, Кабардино-Балкарская республика, г. Нальчик, ул. Кирова, 224
Культура кукурузы занимает одно из ведущих мест в мировом земледелии. В последние десятилетия возникла угроза генетической эрозии культуры кукурузы вследствие резкого сужения ее генетического полиморфизма. Все современные коммерческие линии и их гибриды кукурузы происходят по родословной от 3-5 сортов из кукурузного пояса США. Аналогичная критическая ситуация создалась и в Европе. Поиск новых методов создания исходного селекционного материала кукурузы с широкой изменчивостью признаков остается актуальным. Одним из них является создание редиплоидных линий, прошедших через «геномный шок» тетраплоидных популяций. Cоздан новый исходный селекционный материал с широким генетическим полиморфизмом для гетерозисной селекции кукурузы.
Ключевые слова: кукуруза, диплоид, тетраплоид, триплоид, редиплоид, гибрид, селекционная ценность, генетический полиморфизм, генетическая эрозия, эндосперм, зародыш.
Кукуруза — основная зернофуражная культура в мире. Согласно данным отчета Международного Совета по Зерну (IGC) мировое производство кукурузы в 2016-2017 гг. оценено в 1,017 млрд. тонн. Несмотря на рост производства кукурузы в мире, уже к концу ХХ века наблюдается значительное сужение генетического разнообразия кукурузы вследствие перехода от популяционного метода селекции к гибридной. В результате такого резкого сокращения генетического полиморфизма наблюдается возрастание генетической уязвимости вида, представленного в современном производстве ограниченным набором генеалогически родственных линий и их гибридов. Исторически сложилось так, что подавляющее большинство линий первого цикла селекции было заложено фактически на трех-пяти сортах кукурузного пояса США, что не может вызывать обеспокоенности о возможной генетической эрозии культуры кукурузы. Аналогичная ситуация сложилась и в Европе. Здесь, как и в США, прослеживается сужение полиморфизма вида сходящихся фактически к 2-3 расам, что продолжает усугубляться постоянной интродукцией новых линий и гибридов из США [4, 5, 6]. Актуально совершенствование методов ведения селекционного процесса, создание и изучение нового исходного материала и вовлечение его в селекционный процесс. Одним из эффективных методов создания нового исходного селекционного материала кукурузы является создание полиплоидного генома для повышенного обмена гомологичными участками хромосом в результате «геномного шока». В процессе мейоза тетраплоидного генома, в квадривалентах происходят больше обменов гомологичными участками хромосом, чем в бивалентах в диплоидном геноме кукурузы, соответственно и полиморфизм восстановленных линий шире, чем при обычных гибридных комбинациях диплоидных генотипов.
Материал и методика
Материалом исследований были 44 редиплоидные линии кукурузы ФАО 100-600. Для выделения редиплоидных линий источником женских гамет служила высокоплодовитая тетраплоидная популяция МРПП-20 созданная В.С. Щербаком и Э.Б. Хатефовым в 1998-2010 гг. на основе 27 линий (W64, Hy, W8, A334, A357, A344, W187-2, Гб627, Гб300, WF9, C103, M14RT, W155, Г23, Сг25, М14, Oh45, Oh41, Oh29, Oh28, H25, T96, L5, K61, P8, L39, Mo572) в сочетании с 1/32 долей генома Zea perennis Hitch (2n=40x), а источником мужских гамет раннеспелая диплоидная линия выделенная из популяции RDAС4 (США). Метод восстановления редиплоидных линий заключался в получении триплоидных зерновок методом скрещивания среднепоздних тетраплоидных популяций кукурузы с раннеспелыми диплоидными линиями. В следующем году проводили инцухт триплоидных растений с последующим разложением полученных гетероплоидных зерновок на предполагаемые тетраплоидные, диплоидные, триплоидные и анеуплоидные генотипы. Семена предполагаемых диплоидных зерновок высевали на следующий год и проводили инцухт. Параллельно каждое растение тестировали методом топкроссов на початки тетраплоидных и диплоидных растений. Осенью по результатам топкроссов выбраковывали тетраплоидные, триплоидные и анеуплоидные растения оставив истинные диплоидные, которые дальше вовлекались в исследования с I5.
Для определения комбинационной способности, реакции на ЦМС и склонности к многопочатковости в топкроссах использовали в качестве тестеров стерильные линии Кр 703М, Кр 714М, Гк 26М (КНИИСХ им. П.П. Лукьяненко), и фертильную линию ВИР 44N (ВИР). Стандартом при испытании топкроссов служил гибрид Родник 292 МВ (ВНИИК, ООО «Отбор»).
Испытание линий проводили в предгорной зоне КБР на территории ОПХ «Нартан», в двукратной, а тесткроссов — в трехкратной повторности. Площадь делянки 4,9 м², двухрядковые. Ширина междурядий 0,7 м, густота стояния растений 50-60 тыс/га. Исследования проводили согласно методических указаний «Методические указания по селекции кукурузы ВНИИК» Днепропетровск 1982 г., «Изучение и поддержание образцов коллекции кукурузы» ВИР, Ленинград 1985 г. Биометрические измерения и их описания согласно «Широкому унифицированному классификатору СЭВ и международного классификатора СЭВ вида Zea mays L.», 1977 г. Статическую обработку данных проводили по методике Б.А. Доспехова (1985). Экологическую пластичность и стабильность определяли по Пакудину В.З, Лопатиной Л.Н. (1985).
Результаты и обсуждение
Тетраплоидная кукуруза (2n=40x) отличается от диплоидной (2n=20x) не только удвоенным набором хромосом в геноме, но рядом селекционно ценных признаков [2]. Растения тетраплоидной кукурузы в период цветения способны свободно скрещиваться с диплоидной, образуя щуплые, триплоидные зерновки без полноценного эндосперма (рис.1). Проведение реципрокных скрещиваний между диплоидной и тетраплоидной кукурузой показали, что гибридные триплоидные зерновки при оптимальных условиях развития вполне жизнеспособны и проходят все соответствующие диплоидным растениям фенологические фазы.
Рис. 1. Диплоидный и тетраплоидный початки кукурузы (слева) и триплоидные зерновки на початке кукурузы (справа).
Триплоидные растения частично фертильны и ее пыльца способна к прорастанию и оплодотворению на рыльцах как на триплоидных, так и на рыльцах диплоидных и тетраплоидных растений. Триплоидные гибридные растения на начальных этапах развития дают слабые ростки с узкими, удлиненными листочками, которые на последующих этапах морфогенеза могут развивать мощные растения, превышающие по высоте тетраплоидные и диплоидные родительские растения, поэтому триплоидные зерновки предпочтительно проращивать в пластиковых стаканчиках и затем пересаживать в грунт (рис. 2).
Рис.2. Растения 3n кукурузы, пророщенные в стаканчиках и готовые к высадке в грунт.
В период цветения триплоидные растения образуют пыльцу с нарушенным (не сбалансированным) числом хромосом в гаметах. Пыльца тетраплоидной кукурузы состоит из смеси гаплоидных, диплоидных и анеуплоидных гамет. При инцухте растений триплоидной кукурузы на початке завязываются зерна с разной плоидностью (рис. 3, 4).
Рис. 3. Самоопыленный початок триплоидной кукурузы.
Рис 4. Распределение зерновок самоопыленного триплоидного початка на предполагаемые 4n, 2n, 3n и анеуплоидные зерновки.
Такие зерна внешне трудно отличить от диплоидных или тетраплоидных. Анеуплоидные зерновки при пересеве дают растения с еще более разбалансированным хромосомным числом в гаметах. Пыльцевые зерна таких растений, попадая на рыльца початков диплоидной и тетраплоидной кукурузы, завязывают зерновки с нарушенным числом хромосом. При засорении посевов диплоидной и тетраплоидной кукурузы триплоидными зерновками с последующим их переопылением происходит резкое снижение семенной продуктивности початка, что приводит к недобору урожая зерна как диплоидной, так и тетраплоидной кукурузы.
Проведенные исследования гомоплоидных (♀2n x ♂2n; ♀4n x ♂4n) и гетероплоидных (♀2n x ♂4n; ♀4n x ♂2n) скрещиваний и анализа гибридного триплоидного потомства, показали, что нарушения формирования полноценного эндосперма наблюдаются в случае нарушения соотношения плоидности основных компонентов зерновки – зародыша и эндосперма (табл. 1).
Таблица 1. Выполненость компонентов зерновки при моноплоидных и гетероплоидных скрещиваниях между 2n и 4n кукурузой.
Так при гомоплоидном скрещивании у диплоидов и тетраплоидов соотношения зародыша и эндосперма составляют 2:3, то у триплоидов наблюдается два варианта, это 3:4 и 3:5 для гибридов ♀2n x ♂4n и ♀4n x ♂2n соответственно[1]. При этом во всех комбинациях из этих зерновок развиваются вполне жизнеспособные и достаточно фертильные триплоидные растения. У триплоидных растений фертильность метелки снижена, но початки способны воспринимать как гаплоидную, так и диплоидную пыльцу, поэтому завязавшиеся на триплоидном початке полноценные зерновки с выполненным эндоспермом бывает трудно различить по плоидности (рис.5). В случае, если растение было анеуплоидным, то на тестерном диплоидном початке завязывались разные по плоидности зерновки.
Рис. 5. Развитие зерновок на триплоидных (3n) початках опыленных гаплоидной (слева) и диплоидной (справа) пыльцой.
Процесс восстановления диплоидных линий из тетраплоидных популяций происходил в течение 2007-2015 гг., а изучение топкроссов в 2014-2015 гг. (табл.2). Метод восстановления диплоидных линий из тетраплоидных ранее был предложен Хатефовым Э.Б., Шацкой О.А [3] с применением гаплоиндуктора, но ввиду сложности работы с гаплоиндуктором на тетраплоидных генотипах был предложен новый метод разложения триплоидного потомства гетероплоидного гибрида инцухтом с выделением диплоидных генотипов кукурузы.
Таблица 2. Схема получения восстановленных диплоидных линий кукурузы из тетраплоидных популяций методом гибридизации.
В результате проведенных исследований было идентифицировано и изучено 44 восстановленных диплоидных и 14 тетраплоидных линий. Генотипы с тетраплоидным, триплоидным, анеуплоидным геномами были выбракованы и заложены в архив, а 44 восстановленных диплоидных линии были доведены до I5 и изучены в топкроссах. Исследования показали, что выщепление 4n и 2n зерновок из потомства триплоидного растения происходит в соотношении близком к 1:1 с небольшими отклонениями в сторону диплоидных геномов. Исходные тетраплоидные и диплоидные линии ранних инцухтов характеризовались невысоким ростом и эректоидным расположением листьев с преимущественно выраженной склонностью к двухпочатковости. Все выделенные в опыте восстановленные диплоидные линии заложены в коллекцию ВИР в 2016г.
По группам спелости, восстановленные диплоидные линии были представлены по классификации ФАО от 100 до 600 (табл. 3). Основное число линий представлено среднеранними и среднеспелыми группами ФАО. Раннеспелая и среднепоздняя группы представлены 7 и 5 линиями соответственно и ультрараннеспелая и позднеспелая группы ФАО представлены всего по 1 линии каждая.
Таблица 3. Характеристика линий по группам спелости (ФАО).
Результаты исследований показали, что варьирование (CV%) таких признаков, как группа спелости, высота растений, высота прикрепления нижнего початка, число листьев на растении, число веточек первого порядка на растении, масса 1000 зерен, общее число зерен на початке, выход зерна с початка, число рядов зерен на початке, число зерен в ряду на початке, длина початка, масса початка, урожай зерна с растения, число початков на стебле и характер его наследования в потомстве, экологическая пластичность и относительная устойчивость к основным болезням и вредителям кукурузы распространенным в КБР, к абиотическим воздействиям окружающей среды и полеганию, консистенции и химическому составу зерновки, реакции ЦМС в топкроссах, общей и специфической комбинационной способности происходит в широких пределах. Исследования реакции редиплоидных линий на ЦМС «М» типа стерильности показало, что среди линий выделены закрепители, восстановители и генотипы промежуточного типа (табл. 4).
Таблица 4. Характеристика стерильных и полустерильных топкроссов по значению стерильности (%) и урожаю зерна (т/га).
Анализ значений урожая зерна показал, что из 9-ти гибридных комбинаций достоверные отличия имеют 7 гибридов, из которых высокие значения имеют комбинации Кр 703 х 1/99-3-3; Кр 714 х 1/60; Гк 26М х 1/130-4; Гк 26М х 1/130-3; Гк 26М х МП4в (табл. 5).
Таблица 5. Урожай зерна лучших фертильных топкроссов и их стандартов, т/га.
Отклонения значений урожая зерна этих гибридов от значений стандарта варьирует в пределах трех и более НСР (от 1,92 до 3,27 т/га) при НСР05 0,23 т/га. Остальные комбинации показали варьирование в пределах от 0,00 до 0,30 т/га. Анализ значений вариансы комбинационной способности лучших линий по признаку урожая зерна показал достоверность полученных результатов (табл. 6)
Таблица 6. Вариансы комбинационной способности лучших восстановленных линий кукурузы по признаку «урожай зерна».
Примечание: ** — достоверно при Р <0,01; * — достоверно при Р <0,05
Результаты анализа эффектов ОКС и варианс СКС показали, что линии с высокими значениями целесообразнее использовать в качестве родительских компонентов конкретных гибридных комбинаций, обладающими высокими значениями изучаемых признаков. К таким линиям можно отнести: 1/130-4; МП4в; 1/130-3 (табл. 7).
Таблица 7. Эффекты ОКС (Gi) лучших линий восстановленной кукурузы по признаку «урожай зерна».
Высокие значения средних СКС показали комбинации Кр 703М×1/60; Кр 714М×1/99-3-3; Кр 714М×1/135; Кр 714М×1/135; Гк 26М×1/99-3-3; Гк 26М×МП4в; Гк 26М×1/130-4; ВИР 44×1/130-4 (табл. 8).
Таблица 8. Константы (Sij) и варианты (Q2Si) СКС гибридов по урожаю зерна.
Выделенные линии с высокими ОКС и СКС позволят создавать на их основе синтетические гибридные популяции с повышенной концентрацией селекционно-ценных генов, с последующим созданием на их основе высокогетерозисных линий для гибридной селекции кукурузы.
Результаты исследований свидетельствует о достаточно высоком генетическом полиморфизме выделенных редиплоидных линий и перспективности поиска для дальнейшего отбора нового селекционного материала. На основе новых редиплоидных линий, возможно создание новых сортов и гибридов кукурузы, характеризующихся высоким урожаем зерна, повышенной питательной ценностью и устойчивостью к био- и абиотическим факторам среды. Рекомендуется использовать в селекции кукурузы на гетерозис линии, характеризующиеся следующими признаками (табл. 9):
Таблица 9. Рекомендуемые для включения в селекционные программы редиплоидные линии кукурузы.
Выводы
Результаты исследований показали перспективность испытанного метода редиплоидизации тетраплоидной кукурузы и ее селекционную ценность для создания высокоурожайных гибридов кукурузы. Выделенные в процессе изучения редиплоидные линии характеризуются достаточным полиморфизмом всех селекционно-значимых признаков. На основе выделенных линий, возможно создание новых сортов и гибридов кукурузы с высоким урожаем зерна, повышенной питательной ценностью и устойчивостью к био- и абиотическим факторам среды. Выделены генетические доноры многопочатковости, устойчиво передающие этот признак гибридам в комбинациях с линией Гк 26М. Доноры многопочатковости целесообразно включать в селекционные программы по селекции многопочатковой кукурузы. Внедрение в производство новых гибридов и сортов, созданных на основе восстановленных диплоидных линий кукурузы, позволит снизить риски генетической эрозии кукурузы, увеличит ее комбинативную способность за счет вовлечения в селекционный процесс новых диплоидных генотипов кукурузы, полученных методом восстановления из тетраплоидного генома.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
- Хатефов Э.Б. Изменчивость плоидности зерновок при гетероплоидных скрещиваниях между диплоидной и тетраплоидной кукурузой/ Э.Б. Хатефов //Вестник КБ НЦ РАН 2012. № 3 (47) С. 86-90.
- Хатефов Э.Б. Исследования тетраплоидной кукурузы для ее селекционного улучшения. ЧП «Полиграфия». Нальчик, 2009, с. 110.
- Хатефов Э.Б., Шацкая О.А., Применение гаплоиндукторов в гетероплоидных скрещиваниях для расширения разнообразия генетической основы кукурузы. Материалы II-й Вавиловской международной конференции «Генетические ресурсы культурных растений в XXI веке». 25-28 ноября. 2008. С-Петербург С. 367-369.
- Sprague, G. F. Genetic vulnerability in corn and sorghum. Proc. 26th Ann. Corn and Sorghum Res. Conf. P. 96-104.
- Șuteu D., Băcilă I., Haș V., Haș I., and Miclăuș M. Romanian Maize (Zea mays) Inbred Lines as a Source of Genetic Diversity in SE Europe, and Their Potential in Future Breeding Efforts. PLoS One. 2013; 8 (12): e85501. doi: 10.1371/journal.pone.0085501 PMCID: PMC3877385.
- http://agro2b.ru/ru/analytics/33879-The-international-grains-Council-IGC-has.html
SELECTED VALUE OF REDYPLOID LINES ALLOCATED FROM TETRAPLOID POPULATIONS OF CORN
Khatefov Eduard Balilovich1, Appaev Safar Pahauović2, Shomakhov Beslan Rashidovich2
1Federal State Budgetary Scientific Institution/ Federal Reserch Center The N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources;
2Federal State Budgetary Scientific Institution «Federal Scientific Center» Kabardino-Balkarian Scientific Center of the Russian Academy of Sciences
Corn culture occupies one of the leading places in world agriculture. All modern commercial lines and their hybrids come from a pedigree of 3-5 varieties from the corn belt of the USA. A similar critical situation was created in Europe. In recent decades, there has been a threat of genetic erosion of corn culture due to a sharp narrowing of its genetic polymorphism. The search for new methods of creating the initial selection material of maize with a wide variability of characteristics remains topical. One of them is the creation of the re-diploid lines that have passed through the «genomic shock» of tetraploid populations. The authors created a new initial selection material for heterotic selection of maize hybrids.
Keywords: maize, diploid, tetraploid, triploids, rediploid, hybrid, breeding value, genetic polymorphism, genetic erosion, endosperm, fetus.